Convertidor de Step-Down LM2596: Diseño de Circuito, Eficiencia y Pruebas de Carga

El LM2596 de onsemi es un regulador de conmutación step-down de salida ajustable y no sincrónico que convierte una entrada de CC más alta en una salida regulada más baja. Funciona desde 4.5 V hasta 40 V y puede suministrar cargas de hasta 3 A cuando el inductor, el diodo de captura, los capacitores, el diseño de la PCB y el diseño térmico cumplen con los requisitos del datasheet. Al alternar energía a través de un inductor en lugar de disipar el exceso de voltaje como calor, puede operar de manera más eficiente que un regulador lineal. Este artículo cubre su diagrama de pines, operación, especificaciones, diseño de 12 V a 5 V, eficiencia, diseño de PCB y pruebas de carga.

Catálogo

Figura 1. LM2596

Diagrama de Pines y Paquetes LM2596

Figura 2. Opciones de Paquete y Funciones de Pines del LM2596

El LM2596 de onsemi utiliza una configuración de 5 pines y se ofrece en las familias de paquetes TO-220 y D²PAK. El datasheet muestra dos variantes de forma de plomo TO-220 y una versión de montaje en superficie D²PAK.

Opciones de Paquete LM2596

Paquete onsemi	Tipo de Montaje	Notas
TO-220, sufijo TV, Casa 314B	A través del orificio	Versión TO-220 con plomo doblado
TO-220, sufijo T, Casa 314D	A través del orificio	Versión TO-220 con plomo recto
D²PAK, sufijo D2T, Casa 936A	Montaje en superficie	Paquete de potencia de montaje en superficie

Estos son nombres de paquetes y números de caso específicos de onsemi. Otros fabricantes pueden usar sufijos o códigos de paquete diferentes para dispositivos LM2596 eléctricamente equivalentes.

Funciones de Pines del LM2596

Pin	Nombre	Función
1	VIN	Conexión de suministro de entrada de CC
2	Salida	Nodo de conmutación conectado al inductor y al diodo de captura
3	Tierra	Referencia de tierra para el regulador
4	Realimentación	Siente el voltaje de salida para la regulación
5	ON/OFF	Activa o apaga el regulador

Para el LM2596 de onsemi, las mismas cinco funciones de pines eléctricos se aplican a las versiones de paquete mostradas. En las versiones ajustables, el pin de Realimentación se conecta a un divisor de resistores externo que establece el voltaje de salida.

Arquitectura y Principio de Funcionamiento

Arquitectura del LM2596

Figura 3. Diagrama de Bloques Internos del LM2596 y Aplicación Típica del Convertidor Buck

El LM2596 es un regulador reductor no sincrónico que integra la circuitería de control principal y un interruptor de potencia de 3 A en un solo IC. Su arquitectura interna incluye un referencia de 1.235 V, amplificador de error, comparador, oscilador de 150 kHz, traba, controlador de interruptor, circuito de límite de corriente, apagado térmico y control de encendido/apagado. El inductor externo, el diodo de captura y el condensador de salida forman la etapa de conversión de potencia y filtrado. En la versión ajustable, la red de resistores de retroalimentación mide el voltaje de salida y devuelve un voltaje escalado al pin de retroalimentación para la regulación.

Principio de Funcionamiento del LM2596

Durante la operación, el LM2596 conmutará repetidamente su transistor de potencia interno a una frecuencia nominal de 150 kHz. Cuando el interruptor se activa, la corriente fluye desde la entrada a través del interruptor y el inductor hacia la carga, almacenando energía en el inductor. Cuando el interruptor se apaga, el inductor mantiene la corriente fluyendo a través del diodo de captura externo. El condensador de salida suaviza la forma de onda de conmutación y suministra energía a la carga entre los intervalos de conmutación. El circuito de retroalimentación compara continuamente la salida medida con la referencia interna y ajusta el ciclo de trabajo del interruptor para mantener el voltaje de salida requerido a medida que cambia el voltaje de entrada o la carga. Bajo condiciones de corriente o temperatura excesivas, los circuitos incorporados de limitación de corriente y apagado térmico protegen al regulador; una sobrecarga severa también puede hacer que la frecuencia de conmutación disminuya.

Especificaciones Clave del LM2596

Especificación	Valor
Topología del regulador	Regulador reductor no sincrónico
Rango de voltaje de entrada de operación	4.5–40 V
Rango de voltaje de salida ajustable	1.23–37 V
Corriente de carga de salida	Hasta 3.0 A
Voltaje de referencia de retroalimentación	1.23 V nominal
Frecuencia de conmutación	150 kHz típica
Voltaje de saturación del interruptor	1.5 V típica
Ciclo de trabajo máximo ON	Aproximadamente 95%
Corriente en reposo	5 mA típica
Corriente en espera	80 µA típica
Control ON/OFF	ON por debajo de 1.6 V o cuando está abierto; OFF por encima de 1.6 V
Rango de temperatura de unión de operación	−40°C a +125°C
Características de protección	Limitación de corriente ciclo a ciclo y apagado térmico
Compensación del bucle	Interna
Familias de empaques	TO-220 y D²PAK
Nivel de sensibilidad a la humedad	MSL 1

Diseño de un Circuito LM2596 onsemi de 12 V a 5 V

Figura 4. Circuito de Aplicación Típica del LM2596 Ajustable de 12 V a 5 V

El LM2596 ajustable utiliza un divisor de resistores de retroalimentación para establecer el voltaje de salida. La ecuación de voltaje de salida es:

$$V_{\text{OUT}}=V_{\text{REF}}(1+\frac{R_2}{R_1})$$

donde V_REF es aproximadamente 1.23 V, R₁ se conecta del pin de retroalimentación a tierra, y R₂ se conecta desde la salida regulada al pin de retroalimentación.

Para calcular R_2 para un voltaje de salida requerido:

$$R_2=R_1(\frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{REF}}}-1)$$

Para una salida de 5 V con R₁ = 1.0" k" Ω:

$$R_2=1.0\text{kΩ}(\frac{5\text{V}}{1.23\text{V}}-1)\approx 3.07\text{kΩ}$$

Utilizando la resistencia de 3.1 kΩ mostrada en el circuito de aplicación típica:

$$V_{\text{OUT}}=1.23\text{V}(1+\frac{3.1\text{kΩ}}{1.0\text{kΩ}})\approx 5.04\text{V}$$

Por lo tanto, el valor de 3.1 kΩ produce una salida cercana al objetivo nominal de 5 V.

Para un convertidor reductor ideal, el ciclo de trabajo aproximado es:

$$D\approx \frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}}$$

Para una entrada de 12 V y una salida de 5 V:

$$D\approx \frac{5\text{V}}{12\text{V}}\approx 0.417=41.7\text{\%}$$

Esta es una estimación ideal. El ciclo de trabajo real difiere debido a las caídas de voltaje a través del interruptor interno, el diodo Schottky, el inductor y las conexiones de la PCB.

Con una carga de salida de 3 A, la potencia de salida es:

$$\begin{array}{c}{P}_{\text{OUT}}=V_{\text{OUT}}{I}_{\text{OUT}}\\ P_{\text{OUT}}=5\text{V}\times 3\text{A}=15\text{W}\end{array}$$

El valor de 15 W es potencia de salida, no la potencia disipada por el LM2596. La operación continua de 3 A todavía depende del inductor, diodo, condensadores, diseño de PCB, enfriamiento y temperatura ambiente.

Eficiencia y Rendimiento Térmico del LM2596

La eficiencia compara la potencia de CC entregada a la carga con la potencia de CC extraída de la entrada:

$$\eta =\frac{P_{\text{OUT}}}{P_{\text{IN}}}\times 100\text{\%}=\frac{V_{\text{SALIDA}}{I}_{\text{SALIDA}}}{V_{\text{ENTRADA}}{I}_{\text{ENTRADA}}}\times 100\text{\%}$$

onsemi informa un 73% de eficiencia típica para su circuito de prueba LM2596 a V_IN = 12 V, V_OUT = 5 V, I_OUT = 3 A, y T_J = 25°C. En este punto de operación:

$$\begin{array}{c}{P}_{\text{SALIDA}}=5\text{V}\times 3\text{A}=15\text{W}\\ P_{\text{ENTRADA}}\approx \frac{15\text{W}}{0.73}\approx 20.55\text{W}\\ P_{\text{PÉRDIDA,total}}\approx 20.55\text{W}-15\text{W}\approx 5.55\text{W}\end{array}$$

La 5.55 W calculada es la pérdida total del convertidor, no solo la potencia disipada dentro del LM2596. Incluye pérdidas en el interruptor interno, diodo Schottky, inductor, capacitores y conexiones de la PCB. Dado que el 73% es un valor típico medido, la potencia de entrada y la pérdida calculadas son aproximadas en lugar de resultados garantizados.

onsemi proporciona la siguiente estimación simplificada para la potencia disipada dentro del regulador:

$$\begin{array}{c}D\approx \frac{V_{\text{SALIDA}}}{V_{\text{ENTRADA}}}\\ P_{\text{IC}}\approx \left(V_{\text{ENTRADA}}{I}_Q\right)+(D\times I_{\text{SALIDA}}\times V_{\text{SAT}})\end{array}$$

La temperatura de unión en estado estacionario aproximada sin disipador es:

$$T_J\approx T_A+P_{\text{IC}}\times R_{\theta \text{JA}}$$

Solo la potencia disipada dentro del LM2596 debe ser utilizada como PIC. No utilice la pérdida total del convertidor de 5.55 W en la ecuación de temperatura de unión. El funcionamiento a plena carga puede requerir un disipador para el paquete TO-220 o suficiente cobre en la PCB para el paquete D²PAK. El apagado térmico y la limitación de corriente son características de protección contra fallas y no deben ser utilizados como controles de operación normales.

Diseño de PCB LM2596, Ripple y EMI

El diseño de la PCB afecta fuertemente la estabilidad, el ripple de salida y la interferencia electromagnética del LM2596. Coloque CIN, D1, L1 y COUT cerca del regulador. Mantenga las trayectorias de alta corriente cortas y anchas, pero minimice el área de cobre conectada al pin 2 porque este nodo de interruptor lleva un voltaje que cambia rápidamente.

Para el LM2596-5.0 fijo, dirija el pin 4 FB directamente a la salida regulada después de L1, preferiblemente cerca del terminal positivo de COUT. Mantenga esta traza alejada del nodo de interruptor, diodo e inductor. Utilice un camino de tierra de baja impedancia y evite permitir que altas corrientes de diodo o capacitor fluyan a través de la conexión a tierra de retroalimentación.

La corriente ripple aproximada de pico a pico en el inductor es:

$${\Delta I}_L\approx \frac{V_{\text{SALIDA}}(V_{\text{ENTRADA}}-V_{\text{SALIDA}})}{V_{\text{ENTRADA}}L{f}_S}$$

Para V_IN = 12 V, V_OUT = 5 V, L = 33 µH, y f_S = 150 kHz:

$${\Delta I}_L\approx 0.59\text{A pico a pico}$$

El ripple del voltaje de salida es aproximadamente:

$${\Delta V}_{\text{SALIDA}}\approx {\Delta I}_L\times \text{ESR}+\frac{{\Delta I}_L}{8f_S{C}_{\text{SALIDA}}}$$

Un ESR de capacitor más bajo generalmente reduce el ripple, pero el capacitor debe mantenerse dentro de las recomendaciones de capacitancia y ESR de TI para un funcionamiento estable. Un inductor de núcleo cerrado o apantallado también puede reducir el acoplamiento de campo magnético y la EMI radiada.

Mida el ripple directamente a través de COUT con un corto resorte de tierra de osciloscopio. Un largo cable de tierra de sonda puede captar ruido de conmutación y mostrar oscilaciones que en realidad no están presentes en la salida. La orientación de componentes y layout debe seguir la hoja de datos del LM2596 de TI.

IC LM2596 desnudo vs Módulo LM2596

El LM2596 desnudo de onsemi es solo el IC del regulador de conmutación. Requiere un inductor externo, un diodo Schottky, capacitores, resistores de retroalimentación y una PCB adecuadamente diseñada. Un módulo LM2596 combina estas partes en una sola placa. Por lo tanto, la calificación de 3 A del IC de onsemi no prueba que cada módulo pueda entregar continuamente 3 A.

Figura 5. IC LM2596 desnudo vs Módulo de Convertidor DC-DC LM2596

Comparación	IC LM2596 desnudo	Módulo LM2596
Partes incluidas	Solo IC regulador	Regulador, inductor, diodo, capacitores, componentes de retroalimentación y PCB
Fabricante del dispositivo	Identificado por el número de pieza completo de onsemi	No puede asumirse solo por el nombre del módulo o la marca del IC
Configuración de salida	Ajustable con un divisor de retroalimentación externo	Comúnmente ajustado con un potenciómetro a bordo o resistencias fijas
Capacidad de corriente	Diseñado para cargas de hasta 3 A cuando los componentes externos, la PCB y la refrigeración cumplen los requisitos de onsemi	La corriente continua está limitada por el IC, el diodo, el inductor, los capacitores, las trazas de la PCB y la refrigeración
Rango de entrada	Rango de funcionamiento de 4.5 a 40 V; se requiere un margen de diseño adecuado	Puede ser más bajo debido a las clasificaciones del capacitor, diodo, conector o PCB
Selección de componentes	Controlado y documentado por el diseñador del circuito	Depende del fabricante del módulo y puede no estar documentado
Rendimiento térmico	Determinado por el paquete TO-220 o D²PAK, cobre de PCB, disipador de calor y flujo de aire	A menudo restringido por áreas de cobre pequeñas y flujo de aire limitado
Verificación	Puede ser calculado, documentado y probado durante el desarrollo	Debe ser inspeccionado y probado bajo carga antes de la operación continua a alta corriente
Mejor uso	Circuitos personalizados y diseños de producción que requieren componentes y diseño controlados	Prototipos y aplicaciones de potencia baja a moderada probadas

Prueba de Carga y Validación del LM2596

La prueba de carga confirma si un circuito o módulo LM2596 puede mantener 5 V continuamente sin un rizado excesivo, caída de voltaje o sobrecalentamiento. Lo siguiente es un método de validación recomendado y no debe presentarse como datos medidos por el autor a menos que la prueba se haya completado.

Equipos de Prueba Requeridos

Utilice una fuente de DC ajustable, carga electrónica o resistencias de potencia, multímetros digitales, un osciloscopio y termocuplas o una cámara térmica. Registre la precisión del instrumento, la temperatura ambiente, el voltaje de entrada, los valores de los componentes, el paquete del regulador y las condiciones de enfriamiento.

Mida el voltaje directamente en los terminales del convertidor. Los cables de prueba delgados pueden introducir una caída de voltaje y producir resultados engañosos.

Prueba de Carga Incremental

Establezca la entrada a 12 V y confirme que la salida sea aproximadamente 5 V antes de conectar una carga pesada. Aumente la corriente gradualmente en lugar de aplicar 3 A de inmediato.

Etapa de Prueba	Carga Sugerida	Mediciones
Verificación Inicial	Sin carga o carga mínima segura	Vout y corriente de entrada
Carga ligera	0.10–0.20 A	Vout, rizado y temperatura
Carga media	0.50–1.00 A	Vin, Iin, Vout, Iout y eficiencia
Carga alta	1.50–2.00 A	Regulación de voltaje y temperaturas de los componentes
Prueba máxima	2.50–3.00 A, solo si es seguro	Rizado, eficiencia y estabilidad térmica
Prueba transitoria	Paso entre carga ligera y alta	Sobrecarga, infra-carga y tiempo de recuperación

Permita que la temperatura se estabilice en cada punto de carga importante. Detenga la prueba si la salida colapsa, el regulador entra repetidamente en límite de corriente o apagado térmico, o cualquier componente se aproxima a su temperatura nominal.

Estudio de Caso Medido y Caracterización del Fabricante

Bentoutou et al. (2023) construyeron un prototipo de LM2596 para convertir el bus de litio-ion de cuatro celdas del nanosatélite educativo PEDAGO-SAT, aproximadamente 16.8 V, a 12 V. Su banco utilizó una fuente de DC, carga electrónica, multímetro, osciloscopio y sonda de corriente. El artículo describe un prototipo; no se informó sobre el conteo de réplicas. Las pruebas cubrieron aproximadamente 0.7 A, 2.1 A y 3.0 A. A 2.099 A, la entrada y la salida fueron de 16.72 V y 11.93 V; las potencias de entrada y salida medidas fueron de 28.52 W y 25.04 W, dando una eficiencia del 88%. El rizado de voltaje y corriente fueron de 244 mV y 60 mA. A 3.0 A, la eficiencia cayó al 85%. La precisión del instrumento, la temperatura ambiente, la duración de la prueba y la calificación en ambiente espacial no fueron reportadas. El resultado apoya el requerimiento de laboratorio de 2.1 A, no una capacidad universal del LM2596.

LM2596 vs LMR51430 vs MP1584

Estos reguladores pueden entregar hasta 3 A, pero difieren en rango de entrada, método de conmutación, tamaño del paquete, comportamiento de eficiencia y estado de ciclo de vida.

Especificación	onsemi LM2596	TI LMR51430	MPS MP1584
Rango de entrada	4.5–40 V	4.5–36 V	4.5–28 V
Corriente de salida	Hasta 3 A	3 A continuo	Hasta 3 A
Topología	Buck no sincrónica	Buck sincrónica	Buck no sincrónica
Frecuencia de conmutación	150 kHz fija	Opciones fijas de 500 kHz o 1.1 MHz	Programable hasta 1.5 MHz
Diodo externo	Requerido	No requerido; MOSFETs sincrónicos están integrados	Requerido
Paquete	TO-220 de 5 pines o D²PAK	SOT-23 de 6 pines	SOIC-8E térmicamente mejorado
Comportamiento a carga ligera	Entra en modo de conducción discontinua a cargas ligeras	Las versiones PFM mejoran la eficiencia a carga ligera; las versiones FPWM mantienen una operación a frecuencia constante	Reduce la frecuencia de conmutación a cargas ligeras
Estado del producto	Activo; verifique la disponibilidad de la salida requerida y el sufijo del paquete	Activo	No recomendado para nuevos diseños; continúa disponible para clientes existentes
Mejor uso	Diseños que requieren hasta 40 V de entrada, un convertidor simple de 150 kHz, o un paquete más grande para soldadura manual	Nuevos diseños compactos que requieren una frecuencia de conmutación más alta, rectificación síncrona integrada y mejores opciones de carga ligera	Soportando diseños calificados existentes; evitar seleccionarlo para nuevos productos

Referencias técnicas

• onsemi. LM2596: Regulador de conmutación de 3.0 A, paso a descenso. Rev. 1, Número de pedido de publicación LM2596/D, diciembre de 2022.

• onsemi. LM2596ADPBCKGEVB – Esquema de la placa de demostración LM2596 de 3 A Buck. Rev. 1.0.

• onsemi. LM2596ADPBCKGEVB – Procedimiento de prueba de la placa de demostración LM2596 de 3 A Buck. Rev. 1.0.

• onsemi. Lista de materiales de la placa de evaluación LM2596. LM2596ADBCKGEVB.

• onsemi. TO-220 Contorno mecánico de 5 terminales con desplazamiento, caso 314B-05. Dimensiones del paquete.

• onsemi. D²PAK Contorno mecánico de 5 terminales, caso 936A-02. Dimensiones del paquete.

Preguntas frecuentes [FAQ]

1. ¿Puede el LM2596 mantener una salida de 5 V si el voltaje de entrada cae cerca de 5 V?

No siempre. Un regulador buck requiere una diferencia de voltaje suficiente entre su entrada y salida. A medida que V_"IN" se aproxima a V_"OUT", el LM2596 alcanza su ciclo de trabajo máximo, y la salida puede caer por debajo de 5 V. Proporcione un margen de voltaje de entrada adecuado para una regulación confiable.

2. ¿Puede el LM2596 usarse directamente como un cargador de batería?

No solo con el circuito del regulador estándar. La carga de batería normalmente requiere una corriente de carga controlada, límites de voltaje, terminación de carga y protecciones apropiadas para la química de la batería. El límite de corriente del LM2596 es una característica de protección contra fallos, no un control preciso de la corriente de carga. Utilice un IC de cargador de batería dedicado o un circuito de corriente constante/voltaje constante correctamente diseñado.

3. ¿Se puede usar un LM2596 directamente con un suministro de 24 V para producir 5 V?

Sí. Un suministro de 24 V está dentro del rango de entrada operativo del LM2596. Sin embargo, la mayor relación de paso a descenso puede aumentar las pérdidas por conmutación y el estrés de los componentes. Por lo tanto, el diodo, inductor, capacitores, diseño de PCB y diseño térmico deben seleccionarse para el voltaje de entrada real y la carga.

4. ¿Proporciona el LM2596 protección contra polaridad de entrada inversa?

No. Conectar el suministro de entrada con polaridad invertida puede dañar el regulador y otros componentes del circuito. Agregue un diodo en serie o un MOSFET de protección contra polaridad inversa cuando la conexión incorrecta del suministro sea posible.

5. ¿Qué sucede si el inductor del LM2596 se satura a alta corriente de carga?

La saturación del inductor reduce la inductancia efectiva, causando que la corriente de pico y el rizado aumenten drásticamente. Esto puede producir sobrecalentamiento, salida inestable o funcionamiento del límite de corriente. Seleccione un inductor cuyo valor de corriente de saturación exceda la corriente de inductor pico calculada con un margen de diseño apropiado.

6. ¿Proporciona el LM2596 aislamiento eléctrico entre su entrada y salida?

No. El LM2596 es un regulador buck no aislado, por lo que la entrada y la salida comparten una tierra común. Las aplicaciones que requieren aislamiento galvánico deben usar una topología de convertidor CC-CC aislada.

7. ¿Se pueden conectar varias salidas de LM2596 en paralelo para obtener más de 3 A?

No deberían conectarse directamente en paralelo normalmente. Pequeñas diferencias en el voltaje de salida pueden causar una distribución de corriente desigual, permitiendo que un regulador cargue la mayor parte de la carga. El funcionamiento paralelo confiable requiere circuitos adicionales de distribución de corriente o reguladores diseñados específicamente para ese propósito.