Warum ein Schaltspannungsregler?

In vielen meiner Elektronikprojekte verwendete ich bisher den AMS1117 Spannungsregler, um eine Versorgungsspannung für die Schaltung bereitzustellen. Dabei gibt es allerdings ein Problem: lineare Spannungsregler wie der AMS1117 oder ein 78xx müssen die gesamte überflüssige Energie der höheren Versorgungsspannung in Hitze umwandeln. Das bedeutet, dass der AMS1117 einen maximalen Ausgangsstrom von nur 800mA liefern kann und dabei extrem heiß wird, wenn er eine 12V Versorgung zu 5V umwandeln muss. Für Schaltungen mit einem höheren Stromverbrauch ist ein linearer Spannungsregler also nicht geeignet.

Vorteile des LM2596

Eine Alternative bietet in solchen Fällen ein Schaltspannungsregler wie der LM2596. Dieser ist ein Buck-Regler, was bedeutet, dass er eine hohe Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung umwandeln kann. Der LM2596 ist dabei mit 12V, 5V, 3.3V, und einstellbarer Ausgangsspannung erhältlich, verträgt bis zu 40V Eingangsspannung (60V bei der HV Variante), kann bis zu 3A Ausgangsstrom liefern und erzeugt weniger Hitze als ein linearer Spannungsregler.

Nachteile des LM2596

Schaltspannungsregler haben auch einige Nachteile im Vergleich zu linearen Spannungsreglern:

• Sie benötigen mehr zusätzliche Bauteile
• Sie produzieren eine unsauberere Ausgangsspannung mit mehr Schwankungen und Störsignalen
• Die Auswahl der zusätzlichen Bauteile ist schwieriger und und hat eine größere Auswirkung auf die Effizienz und die Sauberkeit der Ausgangsspannung
• Die Anordnung und elektrische Verbindung der Bauteile auf einer Platine hat eine größere Auswirkung auf die Sauberkeit der Ausgangsspannung und kann bei schlechtem Design mehr Störungen verursachen

LM2596 Anwendung

Für ein aktuelles Projekt benötigte ich eine 5V Spannungsversorgung, die mindestens 2A bereitstellen kann. Nach einer kurzen Websuche habe ich mich für den LM2596 Spannungsregler entschieden. Die wichtigste Ressource für die Auswahl der richtigen Komponenten ist das Datenblatt des LM2596. Dort sind im Abschnitt 9 "Application and Implementation" alle wichtigen Informationen und Schritt für Schritt Anleitungen zum Schaltungsdesign rund um den LM2596 zu finden, daher werde ich hier nicht alles im Detail beschreiben und häufig auf das Datenblatt verweisen.

Als erstes sollte man sich überlegen, welche Spezifikationen die Schaltung erfüllen muss. In meinem Fall brauche ich einen Schaltspannungsregler mit folgenden Spezifikationen:

• mindestens 12V Eingangsspannung
• konstante 5V Ausgangsspannung
• bis zu 3A Ausgangsstrom
• so wenig wie möglich Ripple (Hochfrequenz-Störung)

In meinem Fall entsprechen viele Werte bereits den Beispielen im Datenblatt, was das Design der Schaltung erleichtert. Trotzdem ist es empfehlenswert, der Anleitung zu folgen und auf Details in der Beschreibung zu achten, um ein gutes Ergebnis zu erzielen.

Da mein Design eine 5V Ausgangsspannung benötigt, eignet sich die konstante 5V Version des Reglers LM2596S-5 am besten. Dafür folgte ich der Anleitung 9.2.1 LM2596 Fixed Output Series Buck Regulator im Datenblatt. Hier zeigt das Datenblatt als erstes den Schaltplan für den gegebenen Anwendungsfall. Als nächstes geht es and die Auswahl der zusätzlichen Komponenten.

Für die Spule L1 entschied ich mich anhand der Abbildung 9-6 (Figure 9-6) und der Tabelle 9-1 (Table 9-1) für eine 33µH Spule. Wichtig ist dabei auch, dass diese einen möglichst geringen DC-Widerstand besitzt und einem DC-Strom leicht über dem maximalen Laststrom (3A) standhalten kann.

Für den Ausgangskondensator C_out entschied ich mich anhand von Tabelle 9-3 (Table 9-3) für einen 330µF 16V Low-ESR Elektrolytkondensator von Panasonic. Eine höhere Spannung von 35V wie in der Tabelle beschrieben wäre ideal, ist allerdings aktuell für mich nicht erhältlich. Wichtig ist hierbei nämlich ein kleiner ESR Wert, um die Filterleistung des Kondensators zu maximieren. Weitere wichtige Details dazu sind im Datenblatt im Abschnitt 9.2.1.2.3 Output Capacitor Selection (COUT) zu finden. Meine gewählten Kondensatoren haben beide einen ESR Wert von 80mΩ.

Bei der Diode D1 muss es sich um eine möglichst schnelle Schottky Diode handeln. Ich habe mich für eine 50WQ03 Schottky Diode entschieden, die in der Tabelle 9-4 (Table 9-4) im Datenblatt empfohlen wird. Weitere wichtige Informationen zur Diodenauswahl sind im Abschnitt 9.2.1.2.4 Catch Diode Selection (D1) des Datenblattes zu finden.

Beim Eingangskondensator C_in ist wichtig, dass er einem RMS-Strom von mindestens der Hälfe des maximalen Laststromes (hier 3A) standhalten kann. In meinem Fall sind das 1,5A. Außerdem sollte es sich um einen Low-ESR Kondensator handeln. Abbildung 9-1 (Figure 9-1) im Datenblatt beschreibt den Zusammenhang von Spannungswert und RMS-Strom bei einer gegebenen Kapazität und kann damit die Auswahl der passenden Kapazität erleichtern. Außerdem muss die Kondensatorspannung mindestens 1,5 mal der maximalen Eingangsspannung entsprechen.
Aufgrund des geringen ESR Widerstandes und hohem RMS Strom habe ich mich für einen 680µF 80V Elektrolytkondensator von Panasonic entschieden. Ein 80V Kondensator ist für meinen Fall zwar übertrieben und daher auch entsprechen übertrieben dimensioniert (18mm Durchmesser), dieses Modell hat allerdings einen sehr geringen 80mΩ ESR Wert und kann über 2A RMS Strom standhalten. Ein 25V oder 35V Kondensator mit diesen Eigenschaften war aktuell für mich leider nicht erhältlich.

Schlussendlich habe ich für meinen Anwendungsfall folgende Bauteile gewählt und bei Mouser bestellt (Mouser Artikelnummer in Klammer):

• LM2596S-5 (926-LM2596S-5.0/NOPB)
• L1: 33µH (710-7447709330)
• C_in: 680µF 80V (667-EEE-TP1K681M)
• C_out: 330µF 16V (667-EEE-FP1C331AL)
• D1: 50wQ03 Schottky 350mV 5,5A (78-VS-50WQ03FNTR-M3)

Zum allgemeinen Verständnis des Datenblattes und der Auswahl der Komponenten fand ich folgendes Video sehr hilfreich:
SDG #114 DC-DC Buck Regulator Converter Design, Schematic and PCB layout tutorial