微控制單元 ，又稱單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer )或者單片機(jī)，是把中央處理器(Central Process Unit;CPU)的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存(memory)、計(jì)數(shù)器(Timer)、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。而嵌入式控制系統(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。
但設(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(lái)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%。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(guò)低導(dǎo)通電壓的開關(guān)管，要么是完全截止無(wú)電流流過(guò)。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%。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”。也因此開關(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。
本文介紹了使用LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓電源來(lái)替代線性穩(wěn)壓電源作為MCU電源的設(shè)計(jì)方案，其優(yōu)勢(shì)是開關(guān)管的高頻通斷特性以及串聯(lián)濾波電感的使用對(duì)來(lái)自于電源的高頻干擾具有較強(qiáng)的抑制作用。此外，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源“熱損失”的減少，設(shè)計(jì)時(shí)還可提高穩(wěn)壓電源的輸入電壓，這有助于提高交流電壓抗跌落干擾的能力。
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LM2576HV(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。
主要特性如下：
(1)最大輸出電流：3A;
(2)最高輸入電壓：LM257*0V，LM2576HV為60V;
(3)輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可調(diào))等可選;
(4)振動(dòng)頻率：52kHz;
(5)轉(zhuǎn)換效率：75%～88%(不同電壓輸出時(shí)的效率不同);
(6)控制方式：PWM;
(7)工作溫度范圍：-40℃ ～ +125℃
(8)工作模式：低功耗/正常兩種模式可外部控制;
(9)工作模式控制：TTL電平兼容;
(10)所需外部元件：僅四個(gè)(不可調(diào))或六個(gè)(可調(diào));
(11)器件保護(hù)：熱關(guān)斷及電流限制。
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。
圖1 LM2576的內(nèi)部框圖
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(wú)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LM2576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.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。
圖2 電路圖
電感L1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、f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)所提供的相應(yīng)的電壓·微秒常數(shù)和負(fù)載電流曲線來(lái)查找所需的電感值了。
該電路中的輸入電容Cin一般應(yīng)大于或等于100μF，安裝時(shí)要求盡量靠近LM2576的輸入引腳，其耐壓值應(yīng)與最大輸入電壓值相匹配。而輸出電容Cout的值應(yīng)依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算(單位μF)：
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L1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)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LM2576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?？蛇x為12V。
3.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 LM2576的工作模式可控電路原理圖
圖3中，下拉電阻可保證MCU-CON控制端為低時(shí)LM2576的正常工作。Shutdown Input的控制端信號(hào)來(lái)自MCU，該端為低電平時(shí)，LM2576停止輸出，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)為該端為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通會(huì)使LM2576重新工 作。設(shè)計(jì)時(shí)保證當(dāng)MCU-CON控制端為高電平且三極管導(dǎo)通時(shí)，電阻R不至于因過(guò)流而損壞MCU的輸出控制端。
結(jié)束語(yǔ)
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。
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