代码收藏家技术教程 2024-03-16

LM2596/LM2596S多路降压稳压DC-DC开关电源芯片详解（第二部分：电路设计）

一、固定电压（3.3/5/12V）模块设计实例

1.设计条件：VOUT=5V，VIN(MAX)=12V，ILOAD(MAX)=3A

2.设计步骤：

（1）电感的选择（L1）

（2）输出电容的选择（COUT）

（3）吸纳二极管的选择（D1）

（4）输入电容的选择（CIN）

（5）100nf电容（C1、C2）

二、可调电压（ADJ）模块设计实例

1.设计条件：VOUT=20V，VIN（max）=28V，ILOAD（max）=3A，F=开关频率（为固定值 150KHz）

2.设计步骤：

（1）输出电压值的计算

（2）电感的选择（L1）

（3）输出电容的选择（COUT）

（4）前馈电容（CFF）

（5）吸纳二极管的选择（D1）

（6）输入电容的选择（CIN）

（7）100nf电容（C1、C2）

当你真正地去研究一下LM2596这款芯片之后，包括电路的整体设计、元器件的选型与摆放、PCB走线等，你会发现市面上那些最常见的LM2596降压稳压模块其实是不符合设计规范的。

那既然不符合规范，为什么还要这样设计呢？因为它作为商品流入市场，最重要的是能够为商家赚钱。所以说，现在这些模块的设计方案是权衡性能与成本之后的结果。

图 1：常见的LM2596降压稳压模块

那市面上的那些模块都哪里不符合规范呢？比如说PCB的走线，有些走线必须要粗、要短，有些走线必须要远离电感。而厂家为了降低生产成本、缩小整个模块的体积，会走细线，会把元器件摆的非常紧凑。再比如说元器件的选型，LM2596最大支持输出3A电流，而小容值的电容根本就不支持这么大的电流。只因为厂家为了节约成本，选择了小容值的电容。其后果就是模块在大电流下工作，容易烧毁。在小电流下工作，其整体的使用寿命相比于符合设计规范的模块也会变短。寿命短了，顾客购买的频率就高了呀，这样商家就能挣更多钱了。

那符合设计标准的方案应该是什么样子的呢？接下来具体讲一下！

如果你着急，不想看这么多字的话，那我先直接上图。下面的图，可以直接抄！！！

图2：5.0V固定电压原理图

图 3：5.0V固定电压PCB图和3D图

图 4：ADJ可调电压原理图

图 5：ADJ可调电压PCB图和3D图

一、固定电压（3.3/5/12V）模块设计实例

1.设计条件：VOUT=5V，VIN(MAX)=12V，ILOAD(MAX)=3A

图 6：5.0V固定电压原理图

2.设计步骤：

（1）电感的选择（L1）

图7 LM2596—3.3 图8 LM2596—12

图9 LM2596—5.0 图10 LM2596—ADJ

要根据图7、图8和图9所示的数据选择电感的适当值（分别对应输出电压为3.3V、5V和12V），对于所有的其他输出电压的情况，请看输出可调的调节器设计步骤（第二部分就是）。

因为我们的设计条件是VOUT=5V，VIN(MAX)=12V，ILOAD(MAX)=3A。输出5V的话，可直接查看图9（LM2596-5.0）。最大负载电流3A，最大输入电压12V，直接找到图中对应的横纵坐标点为（3,12），对应的区域为L40，电感值为33UH（你知道为什么横坐标最大是3，纵坐标最大是40吗？因为芯片的最大负载电流就是3A，最大输入电压是40V，比这个再大的话，芯片就烧了）（最好选择使用磁屏蔽结构的电感器，下一篇文章我会专门讲元器件的选型）。

表1：电感厂家的产品型号

序号/电感μH /电流（A）	Schott		Renco		Pulse Engineering		Coilcraft
序号/电感μH /电流（A）	直插式	表贴	直插式	表贴	直插式	表贴	表贴
L15/22/0.99	67148350	67148460	RL-1284-22-43	RL1500-22	PE-53815	PE-53815-S	DO3308-223
L21/68/0.99	67144070	67144450	RL-5471-5	RL1500-68	PE-53821	PE-53821-S	DO3316-683
L22/47/1.17	67144080	67144460	RL-5471-6	—	PE-53822	PE-53822-S	DO3316-473
L23/33/1.40	67144090	67144470	RL-5471-6	—	PE-53823	PE-53823-S	DO3316-333
L24/22/1.70	67148370	67148480	RL-1283-22-43	—	PE-53824	PE-53825-S	DO3316-223
L25/15/2.10	67148380	67148490	RL-1283-15-43	—	PE-53825	PE-53824-S	DO3316-153
L26/330/0.80	67144100	67144480	RL-5471-1	—	PE-53826	PE-53826-S	DO5022P-334
L27/220/1.00	67144110	67144490	RL-5471-2	—	PE-53827	PE-53827-S	DO5022P-224
L28/150/1.20	67144120	67144500	RL-5471-3	—	PE-53828	PE-53828-S	DO5022P-154
L29/100/1.47	67144130	67144510	RL-5471-4	—	PE-53829	PE-53829-S	DO5022P-104
L30/68/1.78	67144140	67144520	RL-5471-5	—	PE-53830	PE-53830-S	DO5022P-683
L31/47/2.20	67144150	67144530	RL-5471-6	—	PE-53831	PE-53831-S	DO5022P-473
L32/33/2.50	67144160	67144540	RL-5471-7	—	PE-53932	PE-53832-S	DO5022P-333
L33/22/3.10	67144390	67144500	RL-1283-22-43	—	PE-53933	PE-53833-S	DO5022P-223
L34/15/3.40	67144400	67144790	RL-1283-15-43	—	PE-53934	PE-53834-S	DO5022P-153
L35/220/1.70	67144170	—	RL-5473-1	—	PE-53935	PE-53835-S	—
L36/150/2.10	67144180	—	RL-5473-4	—	PE-54036	PE-53836-S	—
L37/100/2.50	67144190	—	RL-5472-1	—	PE-54037	PE-53837-S	—
L38/68/3.10	67144200	—	RL-5472-2	—	PE-54038	PE-53838-S	—
L39/47/3.50	67144210	—	RL-5472-3	—	PE-54039	PE-53839-S	—
L40/33/3.5	67144220	67148290	RL-5472-4	—	PE-54040	PE-53840-S	—
L41/22/3.50	67144230	67148300	RL-5472-5	—	PE-54041	PE-53841-S	—
L42/150/2.70	67144410	—	RL-5473-4	—	PE-54042	PE-53842-S	—
L43/100/3.4	67144240	—	RL-5473-2	—	PE-54043		—
L44/68/3.40	67144250	—	RL-5473-3	—	PE-54044		—

因为所需的电感值为 33μH，从上表中 L40 那行所列的 4 个厂家的电感序列号中选择一个电感（通常，表贴和直插的电感都有），最好使用磁屏蔽结构的电感器。

（2）输出电容的选择（COUT）

表2：LM2596固定输出快速设计器选择表

条件			电感		输出电容
条件			电感		直插式电解电容		表贴式钽电容
输出电压 V	负载电流 A	最大输入电压 V	电感值μH	电感号	PANASONIC HFQ 系列（μF/V）	NICHICON PL 系列（μF/V）	AVX TPS 系列（μF/V）	VISHAY 595D 系列（μF/V）
3.3	3	5	22	L41	470/25	560/16	330/6.3	390/6.3
		7	22	L41	560/35	560/35	330/6.3	390/6.3
		10	22	L41	680/35	680/35	330/6.3	390/6.3
		40	33	L40	560/35	470/35	330/6.3	390/6.3
	2	6	22	L33	470/25	470/35	330/6.3	390/6.3
		10	33	L32	330/35	330/35	330/6.3	390/6.3
		40	47	L39	330/35	270/50	330/10	330/10
5	3	8	22	L41	470/25	560/16	220/10	330/10
		10	22	L41	560/25	560/25	220/10	330/10
		15	33	L40	330/35	330/35	220/10	330/10
		40	47	L39	330/35	270/35	220/10	330/10
	2	9	22	L33	470/25	560/16	220/10	330/10
		20	68	L38	180/35	180/35	100/10	270/10
		40	68	L38	180/35	180/35	100/10	270/10
12	3	15	22	L41	470/25	470/25	100/16	180/16
		18	33	L40	330/25	330/25	100/16	180/16
		30	68	L44	180/25	180/25	100/16	120/20
		40	68	L44	180/35	180/35	100/16	120/20
	2	15	33	L32	330/25	330/25	100/16	180/16
		20	68	L38	180/25	180/25	100/16	120/20
		40	150	L42	82/25	82/25	68/20	68/25

在大多数的应用中，低等效电阻（Low ESR）的电解电容值在 82μF 到 820μF 之间，而低等效电阻（Low ESR）钽电容值在 10μF 到 470μF 之间效果最好。电容应该靠近芯片。同时，电容的管脚要短，连接的铜线也要短，电容值不要大于 820μF。

我们的设计条件是VOUT=5V，VIN(MAX)=12V，ILOAD(MAX)=3A。因为表中没有12V输出电压，我们可以选择略微大一点的15V电压。根据上表，可选择的输出电容有四种，分别为直插式电解电容PANASONIC HFQ系列330μF/35V规格、NICHICON PL系列330μF/35V规格、AVX TPS系列220μF/10V规格、VISHAY 595D系列330μF/10V规格。我们任选其一即可。（其实这个表格是芯片官方提供的资料，是快速选型查阅表。现在最常用的电容是VT贴片式电解电容，表格中没有，下一篇文章我会讲到）

注意：电容的耐压至少应是输出电压的1.5倍，有时，为了得到纹波低的输出电压需要电容耐压值更高。

（3）吸纳二极管的选择（D1）

表3：二极管选择表

VR	输出电流 3A				输出电流 4A～6A
	直插		表贴		直插		表贴
	肖特基	超快恢复	肖特基	超快恢复	肖特基	超快恢复	肖特基	超快恢复
20V		所有这类二极管的最低耐压为 50V MURS320 30WF10	IN5820	所有这类二极管的最低耐压为 50V MUR320		所有这类二极管的最低耐压为 50V MURS620 50WF10	SR502	所有这类二极管的最低耐压为 50V MUR620 HER601
	SK32		SR302				IN5823
			MBR320				SB520
30V	30WQ03		IN5821
	SK33		MBR330		50WQ03		SR503
			31DQ03				IN5824
40V			IN5822				SB530
	SK34		SR304		50WQ04		SR504
	MBRS340		MBR340				IN5825
	30WQ04		31DQ04				SB540
50V 或更高	SK35		SR305
	MBRS360		MBR350		50WQ05		SB550
	30WQ05		31DQ05				50SQ080

首先，吸纳二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的1.3倍，如果设计的电源要承受连续的短路输出，则吸纳二极管的最大承受电流能力要等于LM2596的极限输出电流。对吸纳二极管来说，最坏的情况是过载或输出短路。

其次，吸纳二极管的反向耐压至少要为最大输入电压的1.25倍。

再次，吸纳二极管必须是快恢复的且必须靠近LM2596，此二极管的管脚要短，连接的铜线也要短。由于所需的二极管开关速度快、正向压降低，所以，肖特基二极管是首选。同时，它的性能和效率都很好，特别是在低输出电压情况下更是如此。使用超快恢复或高效整流二极管效果也很好。超快恢复二极管的典型恢复时间为 50ns 或更快，像IN5400系列的整流二极管速度很慢，通常不用。

因为我们的设计条件是VOUT=5V，VIN(MAX)=12V，ILOAD(MAX)=3A。所以选用IN5823就完全够用了（其实现在有更好的选择，我下一篇文章会讲到）。

（4）输入电容的选择（CIN）

图11：电解电容耐压值、电容值和均方根电流之间的关系

为了防止在输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间要加一个低等效电阻的铝或钽电容作为旁路电容，这个电容要靠近芯片。另外，输入电容电流的均方根值至少要为直流负载电流的一半。

要确保所选电容的这个参数不能低于直流负载电流的一半。几个不同的铝电解电容的典型均方根电流值所对应的曲线如上图所示。对铝电解电容，其耐压值要为最大输入电压的1.5倍。必须注意的是，如果使用了钽电容，则它的耐压要为输入电压的2倍，推荐使用生产厂家测试过浪涌电流的电容。使用瓷片电容为输入旁路电容时要特别小心，因为这可能会在输入脚处引起非常严重的噪声。

因为我们的设计条件是VOUT=5V，VIN(MAX)=12V，ILOAD(MAX)=3A。12*1.5=18V，输入电容电流的均方根值至少是1.5。如果我们应该选择耐压值为25V的电容，那么横坐标1.5A所对应电容容值要大于680μF。所以我们可以选择一个规格为35V/680μF的电容，这样就符合设计规范了。（要把纹波电压降到输出电压的1%或更低，就需要选择一个耐压（低等效电阻的）更高或容值更高的电容。）对于选择表贴元件的设计，可以选用固态钽电容，但是，要注意的是，必须测试电容的浪涌电流值。AVX 公司的 TPS 系列及 VISHAY 公司的 593D 系列的器件的浪涌电流值都经过测试了。

（5）100nf电容（C1、C2）

关于这个电容，记住以下四点：

A.它起到滤波或者信号回流的作用

B.芯片的每个电源引脚都要有至少一个旁路电容

C.这个电容要尽可能靠近芯片的引脚

D.多电容并联时容值小的靠近芯片引脚

二、可调电压（ADJ）模块设计实例

1.设计条件：VOUT=20V，VIN（max）=28V，ILOAD（max）=3A，F=开关频率（为固定值 150KHz）

图12：可调电压原理图

2.设计步骤：

（1）输出电压值的计算

利用以下的公式来选择适当的电阻值，

Vout=Vref*(1+R2/R1)

这里的 Vref=1.23V，在240Ω和1.5KΩ之间为R1选择一个适当的阻值。低阻值使敏感的反馈脚的噪声容限降到最小（选用精度为1%金属膜电阻，可以使温度系数降低，随时间的稳定度最好）。

R2=R1*(Vout/Vref-1)

我们的设计条件是Vout=20V，Vin（max）=28V，Iload（max）=3A，F=开关频率（为固定值 150KHz）。我们选择精度为 1%的 1KΩ的电阻 R1，来计算 R2，

R2=R1 *(Vout/Vref-1)=1K*(20V/1.23V-1)

R2=1K*（16.26-1）=15.26K，接近于精度为 1%的 15.4K，所以，取 R2=15.4KΩ。（注意这个电阻在实际的稳压模块中是用电位器来替代的，这样输出电压可调，我在下一篇文章会讲到）

（2）电感的选择（L1）

可以通过以下的公式计算电感电压与微秒的乘积 E·T：

E*T=[(Vin-Vout-Vsat)*(Vout+Vd)/(Vin-Vsat+Vd)]*1000/150KHz(V·us)

其中 Vsat 为内部开关饱和电压，且 Vsat=1.16V。Vd为二极管正向压降，Vd=0.5V。

图13：LM2596-ADJ

我们的设计条件是Vout=20V，Vin（max）=28V，Iload（max）=3A，F=开关频率（为固定值 150KHz）。

由上图34（V·μs）的水平线和 3A 的垂直线的交叉处所确定的电感为 47μH，电感代号为 L39。

表4：电感厂家的产品型号

序号/电感μH /电流（A）	Schott		Renco		Pulse Engineering		Coilcraft
序号/电感μH /电流（A）	直插式	表贴	直插式	表贴	直插式	表贴	表贴
L15/22/0.99	67148350	67148460	RL-1284-22-43	RL1500-22	PE-53815	PE-53815-S	DO3308-223
L21/68/0.99	67144070	67144450	RL-5471-5	RL1500-68	PE-53821	PE-53821-S	DO3316-683
L22/47/1.17	67144080	67144460	RL-5471-6	—	PE-53822	PE-53822-S	DO3316-473
L23/33/1.40	67144090	67144470	RL-5471-6	—	PE-53823	PE-53823-S	DO3316-333
L24/22/1.70	67148370	67148480	RL-1283-22-43	—	PE-53824	PE-53825-S	DO3316-223
L25/15/2.10	67148380	67148490	RL-1283-15-43	—	PE-53825	PE-53824-S	DO3316-153
L26/330/0.80	67144100	67144480	RL-5471-1	—	PE-53826	PE-53826-S	DO5022P-334
L27/220/1.00	67144110	67144490	RL-5471-2	—	PE-53827	PE-53827-S	DO5022P-224
L28/150/1.20	67144120	67144500	RL-5471-3	—	PE-53828	PE-53828-S	DO5022P-154
L29/100/1.47	67144130	67144510	RL-5471-4	—	PE-53829	PE-53829-S	DO5022P-104
L30/68/1.78	67144140	67144520	RL-5471-5	—	PE-53830	PE-53830-S	DO5022P-683
L31/47/2.20	67144150	67144530	RL-5471-6	—	PE-53831	PE-53831-S	DO5022P-473
L32/33/2.50	67144160	67144540	RL-5471-7	—	PE-53932	PE-53832-S	DO5022P-333
L33/22/3.10	67144390	67144500	RL-1283-22-43	—	PE-53933	PE-53833-S	DO5022P-223
L34/15/3.40	67144400	67144790	RL-1283-15-43	—	PE-53934	PE-53834-S	DO5022P-153
L35/220/1.70	67144170	—	RL-5473-1	—	PE-53935	PE-53835-S	—
L36/150/2.10	67144180	—	RL-5473-4	—	PE-54036	PE-53836-S	—
L37/100/2.50	67144190	—	RL-5472-1	—	PE-54037	PE-53837-S	—
L38/68/3.10	67144200	—	RL-5472-2	—	PE-54038	PE-53838-S	—
L39/47/3.50	67144210	—	RL-5472-3	—	PE-54039	PE-53839-S	—
L40/33/3.5	67144220	67148290	RL-5472-4	—	PE-54040	PE-53840-S	—
L41/22/3.50	67144230	67148300	RL-5472-5	—	PE-54041	PE-53841-S	—
L42/150/2.70	67144410	—	RL-5473-4	—	PE-54042	PE-53842-S	—
L43/100/3.4	67144240	—	RL-5473-2	—	PE-54043		—
L44/68/3.40	67144250	—	RL-5473-3	—	PE-54044		—

在上表中的 L39 所在的行中，选择一个电感器件号，最好使用磁屏蔽结构的电感器。

（3）输出电容的选择（COUT）

表5：输出电容和前馈电容选择表

输出电压V	直插式输出电容			表贴式输出电容
输出电压V	PANASONIC HFQ 系列（μF/V）	NICHICON PL 系列（μF/V）	前馈电容	AVX TPS 系列（μF/V）	VISHAY 595D 系列（μF/V）	前馈电容
2	820/35	820/35	33nF	330/6.3	470/4	33 nF
4	560/35	470/35	10nF	330/6.3	390/6.3	10 nF
6	470/25	470/25	3.3 nF	220/10	330/10	3.3 nF
9	330/25	330/25	1.5 nF	100/16	180/16	1.5 nF
12	330/25	330/25	1 nF	100/16	180/16	1 nF
15	220/35	220/35	680pF	68/20	120/20	680 pF
24	220/35	150/35	560 pF	33/25	33/25	220 pF
28	100/50	100/50	390 pF	10/35	15/50	220 pF

在大多数的使用中，使用 82μF～820μF 之间的低等效电阻（Low ESR）的电解电容或固态钽电容效果最好，电容要靠近芯片，管脚要短，连接的铜线要短。不要使用大于 820μF 的电容。

从上面的表中先选择一个输出电压列。在输出电压列中，选择一条与应用中所需电压最接近的一条电压线。在本例中，选择24V的电压线。在输出电容部分，从4个不同的生产厂家所列的直插的电解电容和表贴的钽电容中选择一个。

输出电压为20V时，则电容的耐压至少应为30V或更高（电容的耐压至少应是输出电压的 1.5 倍）。在本例中，35V 或 50V 的电容都可使用。如果需要低的输出纹波电压时，也可以选择 50V。只要与表中所列的相近，其它厂家的低 ESR 电容也可以使用。

（4）前馈电容（CFF）

当输出电压大于 10V 时，就需要一个补偿电容，这个电容的典型值在 100pF～33nF 之间。同时，与输出电压设置电阻R2并联。对于高输出电压、低输入-输出电压等情况，这个电容可以使电路格外稳定，如固态钽电容。

Cff=1/(31*1000*R2)

这个电容可以是瓷片电容、塑胶或云母电容等（因为Z5U/Y5V瓷片电容性能不稳定，所以建议不要使用这种电容）。

表5中包括不同输出电压所对应的前馈电容值，在本例中，需要一个560pF的电容。（注意这个电容受R2的影响）

（5）吸纳二极管的选择（D1）

吸纳二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的1.3倍，如果设计的电源要承受连续的短路输出，则吸纳二极管的最大承受电流能力要等于 LM2596 的极限输出电流。对吸纳二极管来说，最坏的情况是过载或输出短路。

吸纳二极管的反向耐压至少要为最大输入电压的1.25倍。

吸纳二极管必须是快恢复的且必须靠近 LM2596，此二极管的管脚要短，连接的铜线也要短。由于所需的二极管开关速度快、正向压降低，所以，肖特基二极管是首选。同时，它的性能和效率都很好，特别是在低输出电压情况下更是如此。使用超快恢复或高效整流二极管效果也很好。但是，一些有突然关断性能的这种器件可能会引起不稳定或电磁感应的问题。超快恢复二极管的典型恢复时间为50ns或更快，但IN5400系列的整流二极管速度很慢，通常不用。

表6：二极管选择表

VR	输出电流 3A				输出电流 4A～6A
	直插		表贴		直插		表贴
	肖特基	超快恢复	肖特基	超快恢复	肖特基	超快恢复	肖特基	超快恢复
20V		所有这类二极管的最低耐压为 50V MURS320 30WF10	IN5820	所有这类二极管的最低耐压为 50V MUR320		所有这类二极管的最低耐压为 50V MURS620 50WF10	SR502	所有这类二极管的最低耐压为 50V MUR620 HER601
	SK32		SR302				IN5823
			MBR320				SB520
30V	30WQ03		IN5821
	SK33		MBR330		50WQ03		SR503
			31DQ03				IN5824
40V			IN5822				SB530
	SK34		SR304		50WQ04		SR504
	MBRS340		MBR340				IN5825
	30WQ04		31DQ04				SB540
50V 或更高	SK35		SR305
	MBRS360		MBR350		50WQ05		SB550
	30WQ05		31DQ05				50SQ080

参考上表。在这个例子中，5A/40V的肖特基二极管IN5825可以产生很好的效果，而且，在输出短路的情况下，也不会过载。

（6）输入电容的选择（CIN）

为了防止在输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间要加一个低等效电阻（Low ESR）的铝或钽电容作为旁路电容，这个电容要靠近芯片。另外，输入电容电流的均方根值至少要为直流负载电流的一半。

图14：电解电容耐压值、电容值和均方根电流之间的关系

输入耐压和电流均方根是输入电容的重要参数。我们设计条件的输入电压是 28V。对于铝电解电容，其耐压值要为最大输入电压的 1.5 倍且要靠近芯片。那么，所选取的铝电解电容的耐压要大于 42V（1.5×VIN）。既然下一个更高的电容耐压值为 50V，那么，就要使用一个 50V 的电容。使用电容耐压值是一种保守的方法，愿意时可以对它加以修正。LM2596 的输入电容的电流均方根至少是直流负载电流的一半。

在本例中，负载电流为 3A，那么，输入电容的电流均方根至少为 1.5A，利用图14所示的曲线图可以选择合适的电容。在曲线图中，注意 50V 的电压线所对应的电流均方根值大于 1.50A 的电容，于是，我们就可以选出一个680μF/50V或为470μF/50V 的电容。对于选择直插元件的设计，680μF/50V 的电解电容就足够了，其他种类或其他厂家的电容可以用来提供足够的均方根纹波电流。对于选择表贴元件的设计，可以选用固态钽电容。但是，要注意的是，必须测试电容的浪涌电流值。AVX公司的TPS系列及VISHAY公司的593D系列的器件的浪涌电流值都经过测试了。使用电介质固定的瓷片电容为输入旁路电容时要特别小心，因为这可能会在输入脚处引起非常严重的噪声。