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基于LM2596的Buck电路设计

news 2026/7/10 4:48:33

一、详细说明

LM2596系列稳压器是为降压开关稳压器提供所有有效功能的单片集成电路，能够驱动 3A 的负载，并且拥有出色的线路和负载调节性能。这些器件可提供 3.3V、5V、12V 固定输出电压和可调节输出电压版本。这类稳压器不仅需要很少的外部元件，而且简单易用，还具有内部频率补偿和固定频率振荡器。

LM2596 系列在 150kHz 的开关频率下运行，因此采用的滤波器组件可比更低频率的开关稳压器所需的组件尺寸更小。可采用具有多种不同引线折弯选项的标准 5引脚 TO-220封装，以及 5引脚 TO-263表面贴装封装。

其他特性包括在额定输入电压和输出负载条件下，该器件具有±4%的输出电压容差和 ±15% 的振荡器频率容差。还具有外部关断功能，待机电流典型值80μA。自保护功能包括两级频率降低输出开关的电流限制，以及在故障状况下提供全面保护的过热关断功能。

推出的新产品：LMR514304.5V～36V、3A、500kHz～1.1MHz 同步转换器。SOT23-6封装，热阻80℃/W，大电流散热不好处理。

▼功能方框图：

▼引脚功能：

二、设计过程

设计要求：最小输入电压19.5V、最大输入电压26.1V，输出3.7V/2A；LM2596规格书。

1、手动计算

▼可调节输出系列参考原理图：

图2.1.1 LM2596电原理图

1）选择合适的电阻值R1和R2

为 R1 选择一个介于 240Ω～1.5kΩ 之间的值。较低的电阻器值可更大限度地降低敏感反馈引脚中的噪声拾取。为了获得更低温度系数和随时间推移达到更好的稳定性，请使用 1% 金属膜电阻器。使用下面的方程计算 R2。

将 R1 选择为 1kΩ/1%，求解 R2。

最接近的 1% 值为 15.4kΩ，这里 R2 选取 15.4kΩ。

2）电感选择 (L1)

（1）使用以下公式计算电感器电压•微秒常数 E*T (V*μs)

其中，VSAT = 内部开关饱和电压 = 1.16V，VD = 二极管正向压降 = 0.5V。

计算电感器电压•微秒常数 (E*T)

（2）使用上一个公式中的 E*T 值

▼并将其与电感器值选择指南的垂直轴上的 E*T 数字匹配，如图2.2.2 所示。

图2.2.2 LM2596-ADJ

（3）在水平轴上，选择最大负载电流

（4）确定与 E*T 值和最大负载电流值相交的电感区域

每个区域由电感值和电感器代码 (LXX) 进行标识。▲在图2.2.2 中所示的电感器值选择指南中，电感区域与 34(V•μs) 水平线相交，3A 垂直线为 47μH，电感器代码为 L39。

（5）选择合适的电感器

▼在图2.2.3 的表中，找到 L39行，然后从制造商器件型号列表中选择电感器器件型号。

图2.2.3 电感器制造商器件型号

3）输出电容器选型(Cout)

（1）需要一个输出电容器来滤除输出并提供稳压器环路稳定性。在大多数应用中，82μF～820μF 之间的低 ESR 电解或固体钽电容器可获得理想效果。必须使用短电容器引线和短铜迹线将此电容器放置在靠近 IC 的位置。不要使用大于 820μF 的电容器。

选择输出电容器时，重要的电容器参数是：100kHz ESR、RMS纹波电流额定值、电压额定值和电容值。

对于输出电容器，ESR值是非常重要的参数。输出电容器需要具有上限和下限的 ESR值。对于低输出纹波电压，需要低 ESR值。此值由允许的最大输出纹波电压来确定，通常为输出电压的 1%～2%。但是，如果所选的电容器 ESR 极低，则可能会出现不稳定的反馈环路，从而导致输出端出现振荡。

（2）为了简化电容器选择过程，▼请参阅图2.2.3 以获取快速设计指南。此表包含不同的输出电压，并列出了可实现出色设计解决方案的各种输出电容器。

图2.2.3 输出电容器和前馈电容器选择表

（3）电容器额定电压必须至少比输出电压大 1.5倍，并且通常需要高得多的额定电压才能满足低输出纹波电压所需的低 ESR 要求。对于 20V 输出，要求电容器额定电压至少为 30V。在此示例中，35V 或 50V 电容器都可以工作。

选择了 35V 额定值，但如果需要更低的输出纹波电压，也可以使用 50V 额定值。如果电容器规格（尤其是 100kHz ESR）与表 9-6 中列出的类型非常匹配，也可以使用其他制造商或其他类型的电容器。有关此信息，请参阅电容器制造商的数据表。

（4）需要更低的纹波，可以使用图2.2.1 虚线框内的 LC滤波电路。

（5）当负载电流<300mA时，可在输出端并联1kΩ假负载，避免开关频率突变引起的电压跳变。

4）前馈电容器(CFF)

如果输出电压大于大约 10V，则需要额外的电容器。补偿电容器通常介于 100pF～33nF 之间，并与输出电压设置电阻器R2 并联。它为高输出电压、低输入或输出电压或超低 ESR 输出电容器（例如固体钽电容器）提供了额外的稳定性。

此电容器可以是陶瓷、塑料、银云母等类型。由于使用 Z5U 材料制成的陶瓷电容器具有不稳定特性，不推荐使用。

5）环流二极管选择(D1)

图2.2.4 二极管选择表

（1）环流二极管额定电流必须至少比最大负载电流大 1.3倍。此外，如果电源设计必须承受持续输出短路，则二极管的额定电流必须等于 LM2596 的最大电流限值。此二极管的应力最大状况是过载或短路输出状况。肖特基二极管提供出色性能，在本例中，5A/40V 1N5825肖特基二极管会是理想的选择。5A二极管额定值绰绰有余，即使对于短路输出也不会承受过大应力。

（2）二极管的反向额定电压必须至少为最大输入电压的 1.25倍。

（3）此二极管必须快速（反向恢复时间短），且必须通过使用短引线和短印刷电路板走线来使其靠近 LM2596 放置。由于肖特基二极管具有快速的开关速度和低正向压降，因此可提供出色性能和效率，且必须是首选，尤其是在低输出电压应用中。

6）输入电容器 (CIN)

在输入引脚和接地引脚之间需要一个低 ESR 铝电解或钽旁路电容器。必须使用短引线将其放置在稳压器附近。此电容器可防止输入端发生大电压瞬变，并提供每次开关打开时所需的瞬时电流。

选择输入电容器需要查阅制造商数据表，了解允许的最大 RMS纹波电流。对于 40°C 的最高环境温度，一般准则是选择额定纹波电流约为直流负载电流 50% 的电容器。对于高达 70°C 的环境温度，选择额定电流为直流负载电流 75% 的电容器对保守设计来说是一个不错的选择。

▼图2.2.5 展示了几个不同铝电解电容器值的典型 RMS电流额定值。必须使用短引线将此电容器放置在靠近 IC 的位置，并且额定电压必须大约为最大输入电压的 1.5倍。使用高介电常数陶瓷电容器实现输入旁路时请务必小心，因为它会导致在Vin 引脚出现严重的振铃。

图2.2.5 低ESR电解电容器的RMS电流额定值（典型值）

输入电容器的重要参数是输入电压额定值和 RMS电流额定值。当标称输入电压为 28V 时，需要一个额定电压大于 42V(1.5*Vin) 的铝电解电容器。电容器额定电压(1.5*Vin) 是一个保守的准则。

可以使用 470μF/50V 或 680μF/50V 电容器。对于穿孔设计，680μF/50V电解电容器就足够了。对于表面贴装设计，可以使用固体钽电容器，但请注意电容器浪涌电流额定值。 AVX 提供的 TPS系列经过浪涌电流测试。

7）最小输入电压的计算

Vin(min) = 开关管压降Vsat+电感附加压降+Vout = 1.5V+DCR*3A+19V

这里以电感FXL1365-820-M，DCR = 135mΩ，Vin(min) = 1.5V+0.135Ω*3A+19V = 20.905V。

2、TI工具设计

▼这里我们采用 TI 官方工具：点击此处。输入上面的参数，选择「Hign Efficiency」，点击「UPDATE DESIGNS」

▼若有 EMI滤波需求，需要勾选「Add an Input Filter」

▼生成多个设计方案

▼在过滤器中输入「LM2596」

三、Layout与散热

1、Layout

在任何开关稳压器中，布局都非常重要。与线路电感相关的快速开关电流会产生电压瞬变，从而导致问题。为了更大限度地减小电感和接地回路，粗线所示的电线必须采用宽印刷电路板走线，并且必须尽可能短。

为了获得理想效果，必须使用接地平面结构或单点接地将外部元件放置在尽可能靠近开关转换器 IC 的位置。如果使用了开放磁芯电感器，选择此类电感器的位置和定位时要格外小心。如果让电感器磁通与灵敏反馈相交，IC 接地路径和 Cout 接线会导致问题。

▼如果使用可调节版本，选择反馈电阻器和相关接线的位置时要格外小心。在物理上将两个电阻器放置在 IC 附近，并使接线远离电感器，尤其是开放磁芯类型电感器。

图3.1.1 典型穿孔PCB布局，可调节输出，双面板

为了更大限度地减少与敏感电路的耦合，连接到 Vout引脚的 PCB 覆铜区必须尽可能小。

2、散热

1）自身耗散的计算

2）散热片的选择

LM2596 采用两种封装：5引脚 TO-220(T) 和 5引脚表面贴装TO-263(S)。

图3.1.2 TO-263温度上升曲线的电路数据

大多数情况下，TO-220 封装需要散热器。散热器的尺寸取决于输入电压、输出电压、负载电流和环境温度，计算移步：电路设计中的常用速算之1、散热器速算。

▲图3.1.2 展示了在 3A 负载和不同输入与输出电压下 LM2596T 结温上升至高于环境温度的情况。这些曲线的数据是在 LM2596T（TO-220 封装）作为降压开关稳压器在 25°C 环境温度（静止空气）下运行时获得。这些温升值都是近似值，有许多因素会影响这些温度。更高的环境温度需要更多的散热。

TO-263 表面贴装封装金属引脚设计为焊接到印刷电路板 (PCB) 的铜上。铜和电路板是此封装及其他发热元件（例如环流二极管和电感器）的散热器。焊接封装的 PCB 铜面积必须至少为 0.4in²，理想情况下必须具有两平方英寸以上的 2oz(0.0028in) 铜。额外的铜面积可改善散热特性，但铜面积大于约 6in² 时，在散热方面仅有小幅改善。