Çalışma: LM2596S Buck Converter

LM2596 serisi regülatörler, hat ve yük regülasyonu ile 3A'lık bir yükü sürdürebilen, düşürücü tip (buck) bir anahtarlamalı regülatör için tüm aktif fonksiyonları sağlayan monolitik entegre devrelerdir. Monolitik olması, içerisinde barındırdığı tüm devre elemanları ve yapıların tek bir paket tipi içerisine sığdırıldığını belirtmektedir. Bu cihazlar 3.3V, 5V, 12V sabit çıkış voltajlarında ve ayarlanabilir çıkış versiyonunda mevcuttur.

LM2596 serisi, 150 kHz'lik bir anahtarlama frekansında çalışır. Böylece daha düşük frekanslı anahtarlama regülatörlerinde gerekli olandan daha küçük boyutlu filtre bileşenlerine izin verir. Paket tipi bazında standart 5 pinli TO-220 paketi (THT) ve 5 pinli TO-263 yüzey montaj (SMD) paketi seçeneklerinde satışa sunulmaktadır.

Önemli teknik özellikleri:

40V'a varan giriş gerilimi aralığı
1.2V ile 37V aralığında ayarlanabilir çıkış gerilimi (ayarlanabilir çıkışlı versiyon)
3.3V, 5V, 12V sabit çıkış gerilimi (sabit çıkışlı veriyon)
TO-220 ve TO-263 paket tipi seçenekleri
Yalnızca 4 adet harici komponent gerektirir
150 kHz sabit frekanslı dahili osilatör
TTL shutdown özelliği
Termal shutdown ve akım sınırı koruması

Şekil 1. Tasarlamış olduğum LM2596S-5.0 buck converter modülü

Komponent Seçimi

Tipik bir uygulama için entegrenin kendisi dışında 2 adet kondansatör, 1 adet schottky diyot, 1 adet güç endüktansı yeterlidir. Toplamda tüm uygulamada 5 adet komponent kullanarak devreyi tamamlamak mümkündür. Ancak bu devre elemanlarının doğru değerlerde ve paket tiplerinde seçilmesi önem arz etmektedir. Bu konuda datasheet içerisinde verilen bilgiler dikkatle incelenmelidir.

Giriş kısmında regülatörün giriş pinine olabildiğinde yakın ve kısa bir yol ile bağlanması gereken kondansatörün kapasitans ve gerilim değerine bakılarak seçim yapılmalıdır. Kullanım amacına göre, seçilecek olan kondansatörün gerilim değeri giriş geriliminden nispeten yüksek olmalıdır. Tercihen datasheet içerisinde belirtildiği üzere bir low ESR alüminyum veya tantal kondansatör kullanılması uygun görülmüştür. Ancak standart alüminyum elektrolik kondansatörler de aynı işlevi daha yüksek gürültü değerleri ve enerji kayıpları ile gerçekleştirebilmektedir.

Bir kondansatörün low ESR olması, güç kayıplarının ve ısınma problemlerinin önüne geçmek için önemli bir faktördür. Güç elektroniği uygulamalarında sıklıkla göz önünde bulundurulması gereken bir nokta olduğu ilgili tasarımcılar tarafından bilinmektedir.

Şekil 2. Low ESR kondansatör

Düşürücü tip (buck) konvertör topolojisinde tipik olarak bulunması gereken diyot, LM2596 için de harici bir komponent olarak gerekmektedir. Yüksek bir frekansta gerçekleşen anahtarlamaya ayak uydurabilmesi için bu diyotun hızlı bir diyot olması tavsiye edilir. Bu nedenle genellikle schottky diyotlar bu aşamada tercih edilmektedir. Ayrıca ultra-fast recovery ve high-efficiency diyotların da iyi birer seçim olabileceği datasheet dokümanı içerisinde belirtilmiştir. Ancak bu diyotlar içerisinden beklenmedik turn-off karakteristiğine sahip olan bazıları stabilite ve EMI sorunlarına sebep olabilmektedir. Elektromanyetik girişimin çoğunlukla önemsendiği ve devreler üzerinde istenmeyen problemler yarattığı göz önünde bulundurulursa, diyot seçiminde özenle karar alınması gerektiği anlaşılmaktadır. 1N5400 serisi doğrultucu diyotlar ise bu uygulama için oldukça yavaştır ve kullanılmaması gerekmektedir.

Endüktans seçiminde ise konvertörün devamlı (CCM) veya devamsız (DCM) operasyon modunda kullanılmasına göre farklı bir karar alınabileceği söylenebilir. Bu iki modu birbirinden ayıran temel sebep, endüktans üzerinden geçen akımın 0 değerine düşüp düşmemesine bağlıdır. Her bir modun kendine özgü operasyon karakteristiği mevcut olduğundan dolayı regülatörün performansı ve gereklilikleri değişim göstermektedir. Çoğu anahtarlama dizaynı düşük yük akımlarda devamsız operasyon modunda çalışmaktadır.

Çoğu durumda tercihen edilen operasyon modu ise devamlı operasyon (CCM) modudur. Bu sayede daha yüksek çıkış gücü, daha düşük endüktans ve diyot akımları sağlanabilir. Çıkıştaki gerilim dalgalanmasında ise düşüş gözlemlenir. Öte yandan devamlı operasyonun bir diğer gereksinimi ise, endüktans akımını devamlı tutabilmek için daha yüksek bir endüktans değeri gerektirmesidir. Özellikle bu durum, düşük çıkış yük akımlarında ve giriş gerilim değerlerinde geçerlidir.

Tipik Uygulamalar

LM2596 serisinde daha önce de belirtmiş olduğum üzere sabit çıkış ve ayarlanabilir çıkış olarak iki ayrı seçenekte kullanım imkanı sunulmaktadır. İki ayrı seçeneğe özel ayrı tipik uygulama şemaları datasheet dokümanı içerisinde gösterilmiştir.

Şekil 3. Sabit çıkış gerilimi için tipik uygulama şeması (basitleştirilmiş)

Şekil 4. Sabit çıkış gerilimi için tipik uygulama şeması

Şekil 5. Ayarlanabilir çıkış gerilimi için tipik uygulama şeması

Layout (Yerleşim) Yönergesi

Her bir anahtarlamalı regülatörde olduğu gibi, yerleşim oldukça önemli bir aşamadır. Çekilen yolların endüktansı ile ilişkili olarak hızlıca gerçekleşen anahtarlama akımları, sorunlara neden olabilecek geçici gerilim dalgalanmalarına yol açabilmektedir. Minimum endüktans ve toprak döngüsü için yukarıda tipik uygulama görsellerinde görülen kalın çizilmiş hatlar geniş baskı devre yolları ile çizilmeli ve olabildiğince kısa tutulmalıdır. En iyi sonuçlar için harici komponentler, toprak düzlemi ve single point topraklama tekniklerini kullanarak entegreye olabildiğince yakın yerleştirilmelidir.

Açık çekirdek (open-core) endüktans tercih edilmesi durumunda bu endüktansın yerleşeceği konum ve yönelimine dikkat edilmelidir. Endüktansın elektromanyetik akısının (flux) hassas feedback, IC toprak ve çıkış hatları ile kesişmesi sorunlara yol açabilir.

Ayarlanabilir versiyonu kullanırken feedback dirençlerinin konumuna dair dikkatli bir seçim yapılmalıdır. İki direnci de entegreye yakın bir şekilde, endüktanstan uzak bir şekilde yerleştirmek ideal olacaktır.

Şekil 6. Tipik THT baskı devre kartı (PCB) yerleşimi

Göz Önünde Bulunudurulabilecek Termal Durumlar

LM2596 iki ayrı paket tipine sahiptir: TO-220-5 (T) ve TO-263-5 (S).

TO-220 pakedi çoğu koşulda bir soğutucu gerektirir. Soğutucunun boyutu giriş gerilimi, çıkış gerilimi, çıkış akımı ve ortam sıcaklığına bağlıdır.

TO-263 pakedi, baskı devre kartı (PCB) üzerinde bir bakır plakanın üzerine sırt (tab) kısmının lehimlenmesi mantığında dizayn edilmiştir. Bakır plaka ve devre kartı bu paket tipinde soğutucu görevini üstlenmektedir. Ayrıca ısınma gösteren diyot ve endüktans gibi diğer devre elemanlarında da bu işlev geçerlidir. İlave bakır alan eklemek termal karakteristiği geliştirmekte işe yaramaktadır. Daha fazla bir termal gelişim için TI, geniş bakır alanlara ve hava akış mekaniğine sahip 2 veya daha fazla katmanlı PCB kullanmayı önermektedir.

En iyi termal performans için kart yerleşiminde geniş bakır yollar ve bol miktarda PCB bakır kullanılmalıdır. (İstisnai olarak output (switch) pini bu duruma dahil değildir. Geniş bakır alanlara sahip olmamalıdır.) Geniş bakır alanları çevredeki havaya doğru gerçekleşen ısı transferi için en iyi olanağı sağlamaktadır (düşük termal direnç) ve hareket etmekte olan bir hava bu direnci daha da düşürebilme yetisine sahiptir.

Devre Tasarımı

EAGLE üzerinden şema ve layout tasarımını yapmış olduğum, sonrasında Fusion360 üzerinden 3D render görsellerini aldığım baskı devre kartına dair görseller aşağıdaki gibidir: