رگولاتور 5 ولت LM2596S-5 پکیج Regulator 5V TO-263

LM2596S-5.0 یک مبدل کاهنده ولتاژ از نوع Buck Converter است که بخش‌های کنترلی و ترانزیستور سوئیچینگ قدرت را درون یک تراشه یکپارچه می‌کند.

این مدل برای تولید خروجی ثابت 5 ولت طراحی شده است و برخلاف نسخه LM2596-ADJ، برای تنظیم ولتاژ خروجی به تقسیم‌کننده مقاومتی خارجی نیاز ندارد.

LM2596 می‌تواند در صورت انتخاب صحیح سلف، دیود، خازن‌ها و طراحی حرارتی، جریان بار تا 3 آمپر را تأمین کند. این خانواده در نسخه‌های خروجی ثابت 3.3، 5 و 12 ولت و همچنین نسخه قابل تنظیم عرضه شده است.

خروجی ثابت 5 ولت

نسخه LM2596S-5.0 برای ایجاد خروجی نامی 5 ولت طراحی شده است. براساس مشخصات Texas Instruments، خروجی نسخه 5 ولت در دمای 25 درجه سانتی‌گراد و شرایط آزمون مشخص، بین 4.8 تا 5.2 ولت قرار می‌گیرد.

در محدوده دمای پیوند منفی 40 تا مثبت 125 درجه سانتی‌گراد، محدوده تضمین‌شده خروجی بین 4.75 تا 5.25 ولت اعلام شده است. این مشخصات برای ورودی 7 تا 40 ولت و جریان بار 0.2 تا 3 آمپر، با استفاده از مدار و قطعات خارجی مناسب ارائه شده‌اند.

تفاوت رگولاتور سوئیچینگ با رگولاتور خطی

LM2596 یک رگولاتور خطی مانند AMS1117 یا 7805 نیست. این قطعه با روشن و خاموش‌کردن سریع سوئیچ داخلی و ذخیره انرژی در سلف، ولتاژ ورودی را کاهش می‌دهد.

مزایای این ساختار عبارت‌اند از:

• بازده بالاتر نسبت به رگولاتورهای خطی
• تولید حرارت کمتر در اختلاف ولتاژ زیاد
• مناسب جریان‌های بالاتر
• امکان تبدیل 12 یا 24 ولت به 5 ولت
• توانایی تأمین جریان تا 3 آمپر در طراحی مناسب

در مقابل، رگولاتور سوئیچینگ به سلف، دیود، خازن‌های مناسب و طراحی دقیق PCB نیاز دارد و در خروجی آن مقداری ریپل و نویز سوئیچینگ وجود خواهد داشت.

جریان خروجی تا 3 آمپر

جریان نامی این خانواده تا 3 آمپر اعلام شده است، اما دریافت جریان 3 آمپر فقط با قراردادن تراشه روی برد امکان‌پذیر نیست.

برای دستیابی به جریان بالا باید موارد زیر رعایت شوند:

• سلف دارای جریان اشباع مناسب انتخاب شود.
• دیود شاتکی جریان و ولتاژ کافی داشته باشد.
• خازن‌های ورودی و خروجی دارای ESR و جریان ریپل مناسب باشند.
• مسیرهای قدرت PCB کوتاه و پهن باشند.
• سطح مس کافی برای دفع حرارت وجود داشته باشد.
• ولتاژ ورودی و دمای محیط در محدوده مناسب قرار گیرند.
• کیفیت و اصالت تراشه در نظر گرفته شود.

در طراحی ضعیف یا بدون خنک‌کاری مناسب، جریان عملی قابل استفاده می‌تواند کمتر از 3 آمپر باشد. دیتاشیت نیز تأکید می‌کند که سلف، دیود و خازن‌های خارجی روی عملکرد نهایی سیستم اثر مستقیم دارند.

محدوده ولتاژ ورودی

محدوده کاری عمومی خانواده LM2596 برابر 4.5 تا 40 ولت اعلام شده است، اما این عدد نباید برای نسخه خروجی ثابت 5 ولت اشتباه تفسیر شود.

برای اینکه مدل LM2596-5.0 بتواند خروجی 5 ولت را در محدوده مشخص‌شده و تا جریان 3 آمپر تنظیم کند، دیتاشیت ورودی حداقل 7 ولت را در نظر گرفته است.

بنابراین:

• ولتاژ کاری عمومی تراشه: 4.5 تا 40 ولت
• ورودی تضمین‌شده برای نسخه 5 ولت: 7 تا 40 ولت
• حداکثر مطلق ورودی: 45 ولت
• ولتاژ پیشنهادی عملی: با حاشیه ایمن کمتر از 40 ولت

استفاده نزدیک به حداکثر مطلق 45 ولت برای کارکرد دائمی توصیه نمی‌شود.

مناسب تبدیل 12 ولت به 5 ولت

یکی از کاربردهای رایج LM2596S-5.0 تبدیل ورودی 12 ولت DC به خروجی 5 ولت است.

در نمونه کاربرد رسمی TI برای خروجی 5 ولت و جریان 3 آمپر، از اجزای زیر استفاده شده است:

• خازن ورودی 680 میکروفاراد
• سلف 33 میکروهانری
• دیود شاتکی 1N5824
• خازن خروجی 220 میکروفاراد

این مقادیر متعلق به مدار نمونه 12 به 5 ولت دیتاشیت هستند و نباید بدون بررسی شرایط طراحی، ولتاژ ورودی، جریان بار و قطعات موجود برای تمام پروژه‌ها کپی شوند.

بازده مبدل

بازده نسخه 5 ولت در شرایط ورودی 12 ولت، خروجی 5 ولت و جریان بار 3 آمپر به‌صورت تیپیک حدود 80 درصد اعلام شده است.

بازده واقعی به عوامل زیر وابسته است:

• ولتاژ ورودی
• جریان خروجی
• مقاومت سلف
• افت ولتاژ دیود شاتکی
• کیفیت خازن‌ها
• مقاومت مسیرهای PCB
• دمای تراشه
• فرکانس و شرایط بار

در جریان‌های پایین یا با قطعات نامناسب، بازده می‌تواند با مقدار دیتاشیت متفاوت باشد.

فرکانس سوئیچینگ 150 کیلوهرتز

LM2596 از یک اسیلاتور داخلی با فرکانس نامی 150 کیلوهرتز استفاده می‌کند.

فرکانس سوئیچینگ بالاتر نسبت به رگولاتورهای قدیمی‌تر امکان استفاده از سلف و خازن‌های کوچک‌تر را فراهم می‌کند. محدوده فرکانس در دمای 25 درجه سانتی‌گراد بین 127 تا 173 کیلوهرتز مشخص شده است.

ساختار غیرسنکرون

LM2596 یک مبدل Buck غیرسنکرون است. به همین دلیل برای فراهم‌کردن مسیر جریان سلف در زمان خاموش‌بودن سوئیچ داخلی، به یک دیود خارجی نیاز دارد.

این دیود باید معمولاً از نوع Schottky انتخاب شود؛ زیرا دیود شاتکی دارای افت ولتاژ و زمان بازیابی کمتری نسبت به دیودهای یکسوساز معمولی است.

دیود باید براساس موارد زیر انتخاب شود:

• حداکثر ولتاژ ورودی
• جریان بار
• جریان پیک سلف
• دمای کاری
• توان تلفاتی
• شرایط اتصال کوتاه

استفاده از دیودهایی مانند 1N4007 برای این کاربرد معمولاً مناسب نیست، زیرا سرعت و مشخصات آن برای مبدل 150 کیلوهرتزی طراحی نشده است.

قطعات خارجی موردنیاز

LM2596S-5.0 یک آی‌سی کامل منبع تغذیه به‌تنهایی نیست و برای ایجاد خروجی 5 ولت به قطعات خارجی نیاز دارد.

اجزای اصلی عبارت‌اند از:

• سلف قدرت
• دیود شاتکی
• خازن ورودی
• خازن خروجی
• مسیر فیدبک
• سطح مس مناسب برای زمین و دفع حرارت

در صورت حذف یا انتخاب نادرست این قطعات، ممکن است خروجی ایجاد نشود یا مدار با مشکلات زیر روبه‌رو شود:

• ریپل زیاد
• داغ‌شدن تراشه
• اشباع سلف
• ناپایداری خروجی
• افت ولتاژ زیر بار
• خرابی دیود یا خازن
• ایجاد نویز الکترومغناطیسی
• فعال‌شدن محدودکننده جریان

پکیج TO-263

این نسخه در پکیج نصب سطحی TO-263 پنج‌پایه عرضه می‌شود. این پکیج با نام‌های D2PAK-5 و در دیتاشیت TI با کد KTT نیز شناخته می‌شود.

ابعاد اسمی بدنه نسخه TO-263 شرکت Texas Instruments حدود 10.10 در 8.89 میلی‌متر است.

مزایای TO-263 عبارت‌اند از:

• مناسب مونتاژ سطحی
• دارای زبانه فلزی بزرگ
• انتقال حرارت به PCB
• مناسب جریان و توان بالاتر نسبت به پکیج‌های کوچک
• سازگار با مونتاژ Reflow
• قابل مونتاژ دستی با هیتر یا هویه مناسب

نام دقیق پکیج و فوت‌پرینت باید با برند و شماره کامل قطعه تطبیق داده شود.

ترتیب پایه‌های LM2596S-5.0

ترتیب پایه‌های پکیج TO-263 پنج‌پایه به‌صورت زیر است:

• پایه 1 – VIN: ورودی مثبت تغذیه
• پایه 2 – Output/Switch: خروجی سوئیچ داخلی
• پایه 3 – GND: زمین مدار
• پایه 4 – Feedback: ورودی نمونه‌برداری ولتاژ خروجی
• پایه 5 – ON/OFF: کنترل روشن و خاموش
• زبانه فلزی – GND: متصل به زمین

زبانه فلزی بزرگ پشت پکیج به پایه 3 یا GND متصل است و باید به سطح مس زمین مناسب روی PCB لحیم شود.

پایه شماره 2 خروجی 5 ولت نیست

پایه شماره 2 که در دیتاشیت با عنوان Output معرفی شده، خروجی تنظیم‌شده 5 ولت نیست. این پایه به سوئیچ داخلی متصل بوده و ولتاژ پالسی با فرکانس بالا تولید می‌کند.

خروجی واقعی 5 ولت پس از عبور این سیگنال از بخش‌های زیر ایجاد می‌شود:

1. پایه سوئیچینگ شماره 2
2. سلف خروجی
3. دیود شاتکی
4. خازن خروجی
5. مسیر فیدبک

اتصال مستقیم بار به پایه شماره 2 می‌تواند باعث عملکرد نادرست یا آسیب به مدار شود. مساحت مس متصل به این پایه نیز باید کوچک نگه داشته شود تا نویز به بخش‌های حساس مدار منتقل نشود.

عملکرد پایه Feedback

پایه شماره 4 ولتاژ خروجی تنظیم‌شده را اندازه‌گیری می‌کند و اطلاعات لازم برای کنترل Duty Cycle را به مدار داخلی می‌دهد.

در نسخه ثابت 5 ولت، پایه Feedback باید به نقطه خروجی 5 ولت پس از سلف و خازن متصل شود.

مسیر Feedback باید:

• کوتاه باشد.
• از گره سوئیچینگ فاصله داشته باشد.
• از کنار سلف عبور نکند.
• از نقطه خروجی کم‌نویز گرفته شود.
• جریان بار از مسیر آن عبور نکند.

طراحی نامناسب مسیر فیدبک می‌تواند باعث ریپل، نوسان یا تنظیم نادرست خروجی شود.

پایه روشن و خاموش

پایه شماره 5 برای فعال یا غیرفعال‌کردن رگولاتور استفاده می‌شود.

عملکرد آن به‌صورت Active-High Shutdown است:

• ولتاژ پایین‌تر از حدود 1.3 ولت: رگولاتور روشن
• ولتاژ بالاتر از حدود 1.3 ولت: رگولاتور خاموش
• اتصال به GND: روشن
• رهاکردن پایه به‌صورت باز: روشن

در حالت خاموش، جریان مصرفی ورودی به‌صورت تیپیک حدود 80 میکروآمپر اعلام شده است. حداکثر ولتاژ مجاز این پایه باید مطابق دیتاشیت رعایت شود.

حفاظت در برابر اضافه‌جریان و دما

LM2596 دارای مدار محدودکننده جریان داخلی و حفاظت حرارتی است.

در صورت افزایش بیش از حد جریان یا دمای پیوند، تراشه برای کاهش احتمال خرابی وارد وضعیت حفاظتی می‌شود.

بااین‌حال، این قابلیت‌ها جایگزین طراحی صحیح نیستند. استفاده دائمی در مرز حفاظت می‌تواند باعث موارد زیر شود:

• افت ولتاژ خروجی
• قطع و وصل‌شدن منبع
• ریست‌شدن مدار مصرف‌کننده
• داغ‌شدن شدید PCB
• کاهش عمر تراشه
• آسیب به قطعات خارجی

Texas Instruments حفاظت حرارتی و محدودکننده جریان را از ویژگی‌های داخلی این خانواده اعلام کرده است.

طراحی حرارتی پکیج TO-263

زبانه فلزی TO-263 باید به سطح مس زمین روی PCB متصل شود تا گرمای تراشه به برد انتقال پیدا کند.

مقاومت حرارتی پکیج به‌شدت به مقدار مس، تعداد لایه‌های PCB و وجود Viaهای حرارتی وابسته است. دیتاشیت TI برای TO-263 مقادیر متفاوتی را براساس سطح مس یک‌طرفه یا دوطرفه ارائه می‌کند.

برای خنک‌کاری بهتر:

• از سطح مس بزرگ متصل به GND استفاده شود.
• Viaهای حرارتی در اطراف زبانه قرار گیرند.
• مسیرهای زمین باریک نباشند.
• قطعه از منابع گرمایی دیگر فاصله داشته باشد.
• گردش هوای مناسب در نظر گرفته شود.
• دمای محیط و محفظه بررسی شود.

انتخاب سلف مناسب

سلف یکی از مهم‌ترین اجزای مدار LM2596 است. مقدار و جریان نامی آن باید براساس ولتاژ ورودی، خروجی و حداکثر جریان بار تعیین شود.

مشخصات مهم سلف عبارت‌اند از:

• مقدار اندوکتانس
• جریان اشباع
• جریان RMS
• مقاومت DC سیم‌پیچ
• نوع هسته
• تلفات در 150 کیلوهرتز
• ابعاد و توان حرارتی

اگر سلف اشباع شود، جریان به‌سرعت افزایش پیدا کرده و ممکن است تراشه، دیود یا سلف آسیب ببیند.

برای مدار نمونه 12 به 5 ولت با جریان 3 آمپر، TI از سلف 33 میکروهانری استفاده کرده است؛ اما مقدار مناسب برای تمام ورودی‌ها و بارها یکسان نیست.

انتخاب خازن ورودی

خازن ورودی باید جریان‌های پالسی موردنیاز سوئیچ داخلی را تأمین کند و تا حد امکان نزدیک پایه‌های VIN و GND قرار گیرد.

ویژگی‌های مهم خازن ورودی:

• ظرفیت کافی
• ولتاژ نامی بالاتر از ورودی
• ESR مناسب
• جریان ریپل کافی
• دمای کاری مناسب
• طول عمر کافی

در کاربردهای دارای سیم ورودی بلند یا منبع پرنویز، افزودن خازن سرامیکی در کنار خازن الکترولیتی می‌تواند عملکرد فرکانس بالا را بهبود دهد.

انتخاب خازن خروجی

خازن خروجی روی ریپل، پاسخ گذرا و پایداری حلقه کنترل اثر دارد.

در انتخاب آن باید موارد زیر بررسی شوند:

• ظرفیت
• ESR
• جریان ریپل
• ولتاژ نامی
• دمای کاری
• نوع خازن
• طول عمر

خازن‌های عمومی و نامناسب ممکن است در فرکانس 150 کیلوهرتز داغ شوند یا باعث افزایش ریپل خروجی شوند.

ولتاژ نامی خازن خروجی باید از 5 ولت بیشتر باشد و دیتاشیت TI برای خازن‌های الکترولیتی، حاشیه ولتاژ کافی را توصیه می‌کند.

نکات طراحی PCB

طراحی PCB در عملکرد LM2596 نقش بسیار مهمی دارد. حتی با استفاده از قطعات صحیح، چیدمان نامناسب می‌تواند باعث نویز، ناپایداری و داغ‌شدن مدار شود.

اصول مهم عبارت‌اند از:

• حلقه VIN، سوئیچ، دیود و GND کوچک نگه داشته شود.
• دیود شاتکی نزدیک آی‌سی قرار گیرد.
• خازن ورودی نزدیک VIN و GND نصب شود.
• مسیر پایه شماره 2 کوتاه و کم‌مساحت باشد.
• مسیر Feedback از گره سوئیچینگ دور باشد.
• سلف از مسیر فیدبک فاصله داشته باشد.
• مسیر خروجی و زمین برای 3 آمپر پهن باشد.
• از سطح مس و Viaهای حرارتی کافی استفاده شود.
• زمین قدرت و زمین فیدبک به‌درستی مدیریت شوند.
• مسیرهای جریان بالا از زیر بخش‌های حساس عبور نکنند.

تفاوت LM2596S-5.0 با LM2596S-ADJ

هر دو نسخه از یک خانواده هستند، اما نحوه تعیین خروجی آن‌ها متفاوت است.

LM2596S-5.0

• خروجی ثابت 5 ولت
• بدون نیاز به مقاومت تنظیم خروجی
• پایه Feedback مستقیماً خروجی 5 ولت را حس می‌کند.
• مناسب تولید انبوه منبع 5 ولت
• احتمال تنظیم اشتباه کمتر

LM2596S-ADJ

• خروجی قابل تنظیم
• ولتاژ با دو مقاومت تعیین می‌شود.
• ولتاژ مرجع حدود 1.23 ولت
• مناسب خروجی‌های سفارشی
• نیازمند محاسبه و انتخاب دقیق مقاومت‌ها

نسخه ثابت و قابل تنظیم نباید بدون تغییر مدار جایگزین یکدیگر شوند.

تفاوت LM2596 با AMS1117-5.0

LM2596 و AMS1117 هر دو می‌توانند خروجی 5 ولت ایجاد کنند، اما ساختار آن‌ها متفاوت است.

LM2596S-5.0

• رگولاتور سوئیچینگ Buck
• جریان نامی تا 3 آمپر
• بازده بالاتر
• مناسب ورودی 12 یا 24 ولت
• نیازمند سلف و دیود
• دارای نویز سوئیچینگ
• مناسب بارهای متوسط و پرمصرف

AMS1117-5.0

• رگولاتور خطی LDO
• جریان اسمی تا حدود 1 آمپر با محدودیت حرارتی
• مدار ساده‌تر
• نویز سوئیچینگ ندارد.
• در اختلاف ولتاژ زیاد گرمای بیشتری تولید می‌کند.
• مناسب جریان پایین‌تر و اختلاف ولتاژ کمتر

برای تبدیل 24 ولت به 5 ولت، LM2596 معمولاً انتخاب منطقی‌تری نسبت به AMS1117 است.

تفاوت LM2596 با ماژول آماده

این محصول یک تراشه مستقل است و با ماژول‌های آماده LM2596 تفاوت دارد.

تراشه مستقل:

• فاقد سلف است.
• فاقد دیود شاتکی است.
• فاقد خازن‌های ورودی و خروجی است.
• فاقد ترمینال و پتانسیومتر است.
• نیازمند طراحی و مونتاژ PCB است.

ماژول آماده:

• تمام قطعات اصلی را روی برد دارد.
• معمولاً نسخه قابل تنظیم استفاده می‌کند.
• دارای ترمینال ورودی و خروجی است.
• برای استفاده مستقیم مناسب‌تر است.

این محصول برای طراحان و تعمیرکارانی مناسب است که قصد مونتاژ یا تعویض خود تراشه را دارند.

کاربردهای LM2596S-5.0

• تبدیل 12 ولت به 5 ولت
• تبدیل 24 ولت به 5 ولت
• ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ
• تغذیه میکروکنترلرها
• بردهای Arduino و AVR
• تجهیزات STM32 و ESP32
• مدارهای دیجیتال 5 ولتی
• سیستم‌های کنترل صنعتی
• تجهیزات خودرویی با حفاظت مناسب
• منابع تغذیه مخابراتی
• دستگاه‌های اندازه‌گیری
• تجهیزات صوتی
• تعمیر منابع تغذیه
• بردهای کنترل موتور
• سیستم‌های روشنایی
• تجهیزات امنیتی
• شارژرها و مبدل‌های DC-DC
• پروژه‌های الکترونیکی پرجریان

ویژگی‌های LM2596S-5.0

• خروجی ثابت 5 ولت
• توپولوژی Buck غیرسنکرون
• جریان خروجی تا 3 آمپر
• فرکانس سوئیچینگ 150 کیلوهرتز
• ورودی کاری تا 40 ولت
• بازده تیپیک حدود 80 درصد در شرایط آزمون 12 به 5 ولت و 3 آمپر
• دارای پایه روشن و خاموش
• جریان آماده‌به‌کار تیپیک 80 میکروآمپر
• حفاظت حرارتی
• محدودکننده جریان داخلی
• جبران‌سازی فرکانسی داخلی
• پکیج نصب سطحی TO-263
• زبانه فلزی متصل به GND
• مناسب منابع تغذیه صنعتی
• نیازمند قطعات خارجی محدود

مشخصات فنی محصول

• مدل: LM2596S-5.0
• نوع قطعه: رگولاتور سوئیچینگ کاهنده
• توپولوژی: Buck غیرسنکرون
• ولتاژ خروجی: ثابت 5 ولت
• جریان خروجی نامی: تا 3 آمپر
• محدوده ورودی عمومی تراشه: 4.5 تا 40 ولت
• محدوده ورودی تضمین‌شده نسخه 5 ولت: 7 تا 40 ولت
• حداکثر مطلق ورودی: 45 ولت
• فرکانس سوئیچینگ نامی: 150 کیلوهرتز
• بازده تیپیک در 12V و 3A: حدود 80 درصد
• تعداد پایه: 5
• نوع نصب: SMD
• پکیج: TO-263-5 یا D2PAK-5
• کد پکیج TI: KTT
• ابعاد اسمی بدنه: حدود 10.10×8.89 میلی‌متر
• پایه 1: VIN
• پایه 2: Switch Output
• پایه 3: GND
• پایه 4: Feedback
• پایه 5: ON/OFF
• زبانه فلزی: GND
• حالت Shutdown: دارد
• حفاظت جریان: دارد
• حفاظت حرارتی: دارد
• نیاز به سلف خارجی: دارد
• نیاز به دیود شاتکی: دارد
• نیاز به خازن ورودی و خروجی: دارد
• دمای کاری پیوند: منفی 40 تا مثبت 125 درجه سانتی‌گراد

مشخصات دقیق سفارش، کد حک‌شده و پکیج باید با برند واقعی قطعه تطبیق داده شوند.

نکات مهم پیش از خرید و استفاده

• این محصول خود تراشه است و ماژول آماده نیست.
• مدل LM2596S-5.0 دارای خروجی ثابت 5 ولت است.
• برای خروجی قابل تنظیم باید نسخه LM2596-ADJ تهیه شود.
• پایه شماره 2 خروجی مستقیم 5 ولت نیست.
• خروجی 5 ولت پس از سلف و خازن ایجاد می‌شود.
• مدار به دیود شاتکی خارجی نیاز دارد.
• برای نسخه 5 ولت، ورودی حداقل 7 ولت در نظر گرفته شود.
• جریان 3 آمپر به انتخاب قطعات و طراحی حرارتی وابسته است.
• زبانه فلزی پکیج به GND متصل است.
• فوت‌پرینت TO-263-5 با PCB تطبیق داده شود.
• مسیر Feedback از پایه سوئیچینگ و سلف دور نگه داشته شود.
• برای ورودی نزدیک 40 ولت حاشیه ایمنی در نظر گرفته شود.
• خازن‌ها و سلف براساس جریان ریپل انتخاب شوند.
• قبل از اتصال بار حساس، خروجی با مولتی‌متر و اسیلوسکوپ بررسی شود.