LM2596 là một trong những IC phổ biến trong thiết kế các bộ chuyển đổi điện áp DC-DC, đặc biệt là bộ hạ áp (buck converter). Với khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra linh hoạt và hiệu suất cao, LM2596 là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu nguồn cung ổn định. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về IC LM2596, từ đặc điểm, sơ đồ mạch, đến ứng dụng thực tiễn.
Giới thiệu về IC LM2596
IC LM2596 là một IC điều chỉnh điện áp / bộ chuyển đổi buck được sử dụng rộng rãi, được thiết kế đặc biệt để tạo ra một mạch nguồn step-down (hạ áp) hiệu quả. Với khả năng điều chỉnh điện áp tốt và có thể cung cấp dòng tải lên đến 3A. IC này có các phiên bản điện áp đầu ra cố định 3.3V, 5V, 12V và một phiên bản điều chỉnh được điện áp đầu ra. Phiên bản có thể điều chỉnh được tích hợp tính năng bù bên trong để giảm thiểu số lượng linh kiện bên ngoài, đơn giản hóa mạch thiết kế.
Đặc điểm chính của IC LM2596
- Điện áp đầu ra cố định: Có các mức 3.3V, 5V, 12V và phiên bản điện áp điều chỉnh từ 1.23V đến 37V.
- Dòng tải tối đa: Có khả năng cung cấp dòng tải lên đến 30 A.
- Phạm vi điện áp đầu vào rộng: Có thể hoạt động với điện áp đầu vào từ 4.5V đến 40V.
- Tần số chuyển mạch cao: LM2596 hoạt động ở tần số chuyển mạch 150 kHz, cho phép sử dụng các tụ lọc kích thước nhỏ hơn so với các bộ điều chỉnh chuyển mạch tần số thấp.
- Thiết kế gọn nhẹ: Sử dụng ít linh kiện bên ngoài (chỉ cần 4 linh kiện cơ bản).
- Chế độ tắt mở TTL: Cho phép bật/tắt mạch dễ dàng.
- Bảo vệ quá nhiệt và giới hạn dòng: Tích hợp các tính năng bảo vệ để đảm bảo an toàn cho mạch.
- Tiêu thụ năng lượng thấp: Chỉ tiêu thụ 80 µA khi ở chế độ chờ.
- Hiệu suất cao: Bộ chuyển đổi buck LM2596 có hiệu suất cao hơn đáng kể so với các bộ điều chỉnh tuyến tính ba chân, đặc biệt khi điện áp đầu vào cao.
- Đa dạng gói: Có sẵn trong gói TO-220 5 chân và gói D2PAK gắn bề mặt.
Sơ đồ chân của IC LM2596
Chân 1 (Vin): Cực đầu vào dương là cực dương của nguồn điện đầu vào của chip. Để ngăn chặn sự xuất hiện của điện áp quá độ lớn tại chân đầu vào, cần thêm một tụ nhôm hoặc tụ tantalum giữa đầu vào và mass như một tụ bypass. Tụ này nên đặt gần IC. Ngoài ra, giá trị hiệu dụng của dòng điện qua tụ đầu vào phải ít nhất bằng một nửa dòng tải DC.
Chân 2 (Vout): Điện áp đầu ra, được kết nối với cuộn cảm và diode. Đường mạch nối ba linh kiện này cần phải ngắn và dày.
Chân 3 (Ground): Chân nối đất. Lưu ý rằng ngoài năm chân của IC, còn có một đầu tản nhiệt cũng được nối đất (GND).
Chân 4 (FB – Feedback): Cực phản hồi là chân được chip sử dụng để phản hồi điện áp đầu ra, nhằm đảm bảo điện áp đầu ra ổn định và chính xác.
Chân 5 (ON/OFF): Chân này có thể được sử dụng để ngắt LM2596 bằng mức logic, giảm dòng điện đầu vào xuống khoảng 80µA. Đưa điện áp tại chân này xuống dưới khoảng 1.3V sẽ bật LM2596; điện áp tại chân này trên 1.3V (tối đa 25V) sẽ tắt LM2596. Nếu không cần sử dụng chức năng này, bạn có thể nối đất hoặc để hở chân này để IC hoạt động.
Sơ đồ mạch mạch nguồn sử dụng IC LM2596
Mạch nguồn điện áp ra cố định
Các linh kiện sử dụng:
- IC LM2596
- Tụ điện CIN: 470 μF/50V, tụ hóa nhôm hoặc tantalum
- Tụ điện COUT: 220μF/25V, tụ hóa nhôm
- Diode Schottky D1: 1N5822/1N5825; 5A, 40V
- Cuộn cảm L1: 68 μH
Các thông số của mạch:
- Điện áp DC đầu vào tối đa VIN(max): 12V
- Điện áp đầu ra VOUT: 3.3 V, 5V hoặc 12V
- Dòng điện tải tối đa ILOAD (max): 3A
Một số lưu ý khi thiết kế mạch:
Lựa chọn tụ điện đầu vào VIN:
– Sử dụng tụ điện ESR thấp (tụ hóa nhôm hoặc tantalum) để tránh các quá độ điện áp lớn ở đầu vào.
– Đặt tụ điện gần IC và sử dụng dây dẫn ngắn.
– Dòng điện RMS của tụ điện đầu vào phải ít nhất bằng 1/2 dòng tải DC. Kiểm tra thông số kỹ thuật của nhà sản xuất để đảm bảo tụ điện không vượt quá giới hạn này.
– Điện áp định mức của tụ điện nhôm phải lớn hơn khoảng 1.5 lần điện áp đầu vào tối đa. Đối với tụ tantalum, nên chọn điện áp định mức lớn hơn 2 lần điện áp đầu vào.
Lựa chọn cuộn cảm L1: Cuộn cảm có giá trị thích hợp tương ứng với điện áp đầu ra mong muốn 3.3V, 5V hoặc 12V (xem datasheet).
Chọn tụ điện đầu ra COUT:
– Nên sử dụng tụ điện ESR thấp (tụ hóa nhôm hoặc tụ tantalum rắn) trong khoảng 82 μF đến 820 μF cho tụ hóa hoặc 10 μF đến 470 μF cho tụ tantalum.
– Đặt tụ điện này gần IC và đường mạch ngắn. Người thiết kế cần xem datasheet để chọn tụ điện phù hợp với điện áp đầu vào, điện áp đầu ra và dòng tải.
– Điện áp định mức của tụ điện phải lớn hơn 1.5 lần điện áp đầu ra, và cần phải chọn tụ điện có điện áp định mức cao hơn để đáp ứng yêu cầu về ESR thấp.
Lựa chọn diode D1:
– Dòng điện định mức của diode phải lớn hơn 1.3 lần dòng tải tối đa. Để bảo vệ khi ngắn mạch đầu ra, dòng điện định mức diode nên bằng với giới hạn dòng điện tối đa của LM2596.
– Diode Schottky được khuyến nghị sử dụng do tốc độ chuyển mạch nhanh và sụt áp thuận thấp, đặc biệt hiệu quả cho các ứng dụng điện áp đầu ra thấp.
– Điện áp ngược định mức của diode phải lớn hơn 1.25 lần điện áp đầu vào tối đa.
– Đặt diode này gần LM2596, vẽ đường mạch in ngắn để đảm bảo hiệu suất tốt nhất.
Mạch nguồn có điện áp ra điều chỉnh được
Các linh kiện sử dụng:
- IC LM2596
- Tụ điện CIN: 470 μF/50V, tụ hóa nhôm hoặc tantalum
- Tụ điện COUT: 220μF/35V, tụ hóa nhôm
- Diode Schottky D1: 1N5822/1N5825; 5A, 40V
- Cuộn cảm L1: 68 μH
- R1: 1kΩ
- Tụ CFF: tham khảo datasheet.
Công thức tính điện áp đầu ra:
Đối với phiên bản điều chỉnh được, điện áp đầu ra (Vout) có thể được điều chỉnh thông qua điện trở R1 và R2 theo công thức:
Vout = Vref(1 + R2/R1)
Trong đó:
- Vref = 1.23V
- R1 có thể chọn từ 1kΩ đến 5kΩ
- R2 là biến trở để điều chỉnh được điện áp đầu ra
Các thông số của mạch:
- Điện áp DC đầu vào tối đa VIN(max): 28 V
- Điện áp đầu ra VOUT: 3.3 V, 5 V hoặc 12 V, Vout
- Dòng điện tải tối đa ILOAD (max): 3 A
- Tần só chuyển mạch: 150 kHz
Một số lưu ý khi thiết kế mạch
Lựa chọn điện trở hồi tiếp (R1, R2):
– Chọn giá trị R1 trong khoảng từ 240 Ω đến 1.5 kΩ để giảm thiểu nhiễu trên chân hồi tiếp.
– Tính toán R2 dựa trên công thức: R2 = R1(VOUT/VREF – 1)2.
Lựa chọn cuộn cảm (L1): xem datasheet
Lựa chọn tụ điện đầu ra (COUT):
– Sử dụng tụ điện ESR thấp (tụ điện phân hoặc tantalum) trong khoảng 82 μF đến 820 μF.
Lựa chọn tụ điện feedforward (CFF):
– Sử dụng khi điện áp đầu ra lớn hơn 10V.
– Tụ điện này mắc song song với điện trở R2, có giá trị từ 100pF đến 33nF8.
– Tính giá trị CFF bằng công thức: CFF = 131*10^3/R2.
– Tham khảo datasheet để chọn tụ CFF phù hợp với điện áp đầu ra.
– Không nên sử dụng tụ gốm loại Z5U9.
Lựa chọn diode chỉnh lưu (D1):
– Chọn diode có dòng điện định mức lớn hơn 1.3 lần dòng tải tối đa.
– Sử dụng diode Schottky để có hiệu suất tốt nhất.
– Điện áp ngược định mức của diode phải lớn hơn 1.25 lần điện áp đầu vào tối đa.
– Đặt diode gần LM2596 sử dụng dây dẫn ngắn.
Lựa chọn tụ điện đầu vào (CIN):
– Sử dụng tụ điện ESR thấp để tránh quá độ điện áp.
– Dòng điện RMS của tụ điện phải ít nhất bằng 1/2 dòng tải DC.
– Điện áp định mức của tụ nhôm nên lớn hơn 1.5 lần điện áp đầu vào, và tụ tantalum nên có điện áp định mức lớn hơn 2 lần điện áp đầu vào.
Bố trí mạch (Layout):
– Các đường mạch dẫn dòng điện lớn phải rộng và ngắn.
– Đặt các linh kiện gần IC.
– Khi dùng cuộn cảm lõi hở, cần chú ý vị trí đặt để tránh ảnh hưởng đến các đường mạch khác.
– Nên đặt điện trở hồi tiếp và dây dẫn gần IC, tránh xa cuộn cảm.
Ứng dụng thực tế
IC LM2596 được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng:
- Mạch nguồn cho bộ sạc pin lithium-ion
- Các thiết bị yêu cầu dòng tải lên đến 3A
- Các ứng dụng yêu cầu bộ điều chỉnh step-down hoặc step-up hiệu suất cao
- Có thể sử dụng làm bộ tiền điều chỉnh hiệu suất cao cho bộ điều chỉnh tuyến tính
- Bộ chuyển đổi Step-Up âm
Lời kết
IC LM2596 là một giải pháp hiệu quả và đáng tin cậy cho các ứng dụng điều chỉnh điện áp. Với thiết kế đơn giản, hiệu suất cao và khả năng chịu tải tốt, đây là lựa chọn phổ biến cho nhiều dự án điện tử.
