基于LM2576的高可靠MCU電源設(shè)計(jì)

嵌入式控制系統(tǒng)的mcu一般都需要一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作。而設(shè)計(jì)者多習(xí)慣采用線性穩(wěn)壓器件（如78xx系列三端穩(wěn)壓器件）作為電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓器件來將較高的直流電壓轉(zhuǎn)變mcu所需的工作電壓。這種線性穩(wěn)壓電源的線性調(diào)整工作方式在工作中會(huì)大的“熱損失”（其值為v壓降×i負(fù)荷），其工作效率僅為30%～50%[1]。加之工作在高粉塵等惡劣環(huán)境下往往將嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)置于密閉容器內(nèi)的聚集也加劇了mcu的惡劣工況，從而使嵌入式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變得更差。

而開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件則以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作。因此，工作時(shí)要么是大電流流過低導(dǎo)通電壓的開關(guān)管、要么是完全截止無電流流過。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達(dá)70%～90%[1]。在相同電壓降的條件下，開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的“熱損失”。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源可大大減少散熱片體積和pcb板的面積，甚至在大多數(shù)情況下不需要加裝散熱片，從而減少了對(duì)mcu工作環(huán)境的有害影響。

lm2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是線性三端穩(wěn)壓器件（如78xx系列端穩(wěn)壓集成電路）的替代品，它具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強(qiáng)的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，從而為mcu的穩(wěn)定、可靠工作提供了強(qiáng)有力的保證。

1 lm2576簡(jiǎn)介

lm2576系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3a電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（52khz）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。lm2576系列包括 lm2576（最高輸入電壓40v）及l(fā)m2576hv（最高輸入電壓60v）二個(gè)系列。各系列產(chǎn)品均提供有3.3v（-3.3）、5v（-5.0）、12v（-12）、15v（-15）及可調(diào)（-adj）等多個(gè)電壓檔次產(chǎn)品。此外，該芯片還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳。

lm2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下[2]：

●最大輸出電流：3a；

●最高輸入電壓：lm2576為40v，lm2576hv為60v；

●輸出電壓：3.3v、5v、12v、15v和adj（可調(diào)）等可選；

●振東頻率：52khz；

●轉(zhuǎn)換效率：75%～88%（不同電壓輸出時(shí)的效率不同）；

●工作溫度范圍：-40℃ ～ +125℃

●工作模式：低功耗/正常兩種模式可外部控制；

●工作模式控制：ttl電平兼容；

●所需外部元件：僅四個(gè)（不可調(diào)）或六個(gè)（可調(diào)）；

●器件保護(hù)：熱關(guān)斷及電流限制；

●封裝形式：to-220或to-263。

lm2576的內(nèi)部框圖如圖1所示，該框圖的引腳定義對(duì)應(yīng)于五腳to-220封裝形式。

lm2576內(nèi)部包含52khz振蕩器、1.23v基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、熱關(guān)斷電路、電流限制電路、放大器、比較器及內(nèi)部穩(wěn)壓電路等。為了產(chǎn)生不同的輸出電壓，通常將比較器的負(fù)端接基準(zhǔn)電壓（1.23v），正端接分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣可根據(jù)輸出電壓的不同選定不同的阻值，其中r1=1kω（可調(diào)-adj時(shí)開路），r2分別為1.7 kω（3.3v）、3.1 kω（5v）、8.84 kω（12v）、11.3 kω（15v）和0（-adj），上述電阻依據(jù)型號(hào)不同已在芯片內(nèi)部做了精確調(diào)整，因而無需使用者考慮。將輸出電壓分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出同內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓值1.23v進(jìn)行比較，若電壓有偏差，則可用放大器控制內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。

由圖1及l(fā)m2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的特性可以看出，以lm2576為核心的開關(guān)穩(wěn)壓電源完全可以取代三端穩(wěn)壓器件構(gòu)成的mcu穩(wěn)壓電源。

2 lm2576應(yīng)用舉例

2.1 基本應(yīng)用設(shè)計(jì)

由lm2576構(gòu)成的基本穩(wěn)壓電路僅需四個(gè)外圍器件，其電路如圖2所示。

電感l(wèi)1的選擇要根據(jù)lm2576的輸出電壓、最大輸入電壓、最大負(fù)載電流等參數(shù)選擇，首先，依據(jù)如下公式計(jì)算出電壓·微秒常數(shù)（e·t）：

e·t=（vin - vout）×vout/ vin×1000/f (1)

上式中，vin是lm2576的最大輸入電壓、vout是lm2576的輸出電壓、?是lm2576的工作振蕩頻率值（52khz）。e·t確定之后，就可參照參考文獻(xiàn)[2]所提供的相應(yīng)的電壓·微秒常數(shù)和負(fù)載電流曲線來查找所需的電感值了。

c≥13300 vin/ vout×l （2）

上式中，vin是lm2576的最大輸入電壓、vout是lm2576的輸出電壓、l是經(jīng)計(jì)算并查表選出的電感l(wèi)1的值，其單位是μh。電容c鐵耐壓值應(yīng)大于額定輸出電壓的1.5～2倍。對(duì)于5v電壓輸出而言，推薦使用耐壓值為16v的電容器。

二極管d1的額定電流值應(yīng)大于最大負(fù)載電流的1.2倍，考慮到負(fù)載短路的情況，二極管的額定電流值應(yīng)大于lm2576的最大電流限制。二極管的反向電壓應(yīng)大于最大輸入電壓的1.25倍。參考文獻(xiàn)[2]中推薦使用1n582x系列的肖特基二極管。

vin的選擇應(yīng)考慮交流電壓最低跌落值（vac-min）所對(duì)應(yīng)的lm2576輸入電壓值及l(fā)m2576的最小輸入允許電壓值vmin(以5v電壓輸出為例，該值為8v)，因此，vin可依據(jù)下式計(jì)算：

vin≥（220vmin/vac-min）

如果交流電壓最低允許跌落30%（vac-min=154v）、lm2576的電壓輸出為5v（vmin=8v），則當(dāng)vac=220v時(shí)，lm2576的輸入直流電壓應(yīng)大于11.5v，通常可選為12v。

2.2 工作模式可控應(yīng)用設(shè)計(jì)

lm2576的5腳輸入電平可用于控制lm2576的工作狀態(tài)。5腳輸入電平與ttl電平兼容。當(dāng)輸入為低電平時(shí)，lm2576正常工作；當(dāng)輸入為高電平時(shí)，lm2576停止輸出并進(jìn)入低功耗狀態(tài)。圖3是lm2576的工作模式可控電路原理圖。

圖3中，下拉電阻r2可保證mcu-con控制端為低時(shí)lm2576的正常工作，其值為1～10kω。mcu-con的控制端信號(hào)來自mcu，該端為高電平時(shí)，lm2576停止輸出，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。開關(guān)k的閉合會(huì)使lm2576重新工作。r1的選擇與r2的阻值有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)保證當(dāng)mcu-con控制端為高電平且k閉合時(shí)，r1不至于因過流而損壞mcu的輸出控制端。同樣，當(dāng)mcu-con控制端為高電平且k斷開時(shí)，應(yīng)保證r2上的分壓大于ttl高電平的最小值（2v）。

較高的輸出電壓紋波（一般大于20mv）是開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中不可回避的問題。在某些對(duì)電源紋波電壓有特殊要求的場(chǎng)合（如mcu內(nèi)部有高精度a/d轉(zhuǎn)換器等），可采用開關(guān)穩(wěn)壓電源來提高穩(wěn)壓電源的工作效率或采用線性穩(wěn)壓電源來降低穩(wěn)壓電源的輸出紋波電壓。因此，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相結(jié)合的形式可為有特殊要求的mcu供電提供一種更好的方法。圖4是低紋波輸出電壓穩(wěn)壓電路原理圖。

圖4中的前半部類似于圖2，為了提穩(wěn)壓電源的整體工作效率，當(dāng)ic2采用7805時(shí)，由于7805的最小輸入電壓為7.5v，因此，圖4中的開關(guān)穩(wěn)壓集成電路采用了可調(diào)節(jié)輸出芯片（lm2576-adj），圖中，開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的輸出電壓vort與 r1和r2的關(guān)系如下：

vort=1.23×（1+ r2/ r1）

3 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)際使用證明，采用lm2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路作為mcu穩(wěn)壓電源的核心器件不僅可以提高穩(wěn)壓電源的工作效率，減少能源損耗，減少對(duì)mcu的熱損害，而且可減少外部交流電壓大幅波動(dòng)對(duì)mcu的干擾，同時(shí)可降低經(jīng)電源竄入的高頻干擾，這對(duì)保障mcu的安全和可靠運(yùn)行能起到事半功倍的作用。