基于LM2596的±12V双路电源设计：拓扑、计算与PCB布局实战

1. 为什么我要用LM2596折腾一套±12V双路电源搞模拟电路的朋友都懂运放、功放前级、传感器调理电路这些玩意儿很多时候就是认双极性电源。单电源供电虽然能靠偏置电阻把工作点抬到VCC/2但噪声、动态范围、共模抑制这些指标一上来就露怯。我最早做音频前级的时候用单电源轨到轨运放凑合过一阵底噪就是压不下去后来换成±12V供电信噪比直接上了一个台阶。从那以后只要板子空间和成本允许我都会优先考虑给模拟部分配一组正负对称的电源。这次要聊的就是怎么用两颗LM2596把一组单路直流输入比如24V或者12V转换成±12V双路输出。LM2596这颗芯片在电子圈里的地位不用我多说3A降压、150kHz开关频率、外围元件少、价格便宜到离谱几乎每个电子爱好者的元件盒里都能翻出几颗。但它的数据手册从头到尾只讲降压压根没提反相输出怎么搞。实际上只要把LM2596的接法从标准的buck拓扑改成buck-boost也叫反相降压-升压拓扑就能让它输出负电压。正路用一颗做降压得到12V负路用另一颗做反相得到-12V两路共地一套±12V就出来了。这套方案适合谁我觉得有三类人可以参考一是做模拟电路、运放实验、音频DIY的爱好者需要一组干净的正负电源二是搞工控或者仪表的朋友手头只有24V开关电源但板子上需要±12V给运放和ADC供电三是想学习DC-DC拓扑和PCB布局的初学者LM2596便宜耐造烧了也不心疼拿它练手再合适不过。整篇文章我会从拓扑选择、元件计算、实操焊接、PCB布局、问题排查几个维度展开把我自己踩过的坑和验证过的参数都摊开来讲。2. 双路电源的整体方案设计与拓扑选型2.1 为什么不用变压器方案而选开关电源提到±12V很多人第一反应是工频变压器加7812/7912线性稳压。这个方案确实简单纹波小噪声低但前提是你得有个变压器。变压器体积大、重量重而且输入输出不共地的话还得考虑绕组隔离。更关键的是线性稳压的效率太低输入24V输出12V压差12V如果负载电流1A光稳压块上就要消耗12W散热片得大到离谱。我之前用7812给一个运放板供电负载才300mA稳压块烫得手都摸不上去后来加了块小散热片才勉强稳住。开关电源方案就灵活多了。LM2596的效率在80%到90%之间输入24V输出12V/1A的情况下芯片本身消耗大概1.5W到2WTO-220封装加一小块覆铜就能搞定散热。而且LM2596外围只需要一个电感、一个续流二极管、两个电容和两个电阻BOM成本不到五块钱。体积上更是碾压变压器方案整个双路电源可以做在5cm×5cm的板子上。当然开关电源的短板是纹波和EMI。LM2596的开关频率是150kHz输出纹波在几十毫伏量级对运放供电来说如果不做后级滤波高频噪声会串进信号链。我的做法是在LM2596输出后面再加一级LC滤波或者低噪声LDO比如LM7812和LM7912做后级稳压这样既保证了效率又拿到了干净的电源。这个后面会详细讲。2.2 正路降压和负路反相的拓扑差异正路12V的接法就是标准的buck降压拓扑。LM2596的VIN接输入正极GND接输入负极OUT通过电感接到输出正极续流二极管从OUT到GND反馈引脚FB接在输出端的分压电阻网络上。输入24V输出12V占空比大概50%电感电流连续模式下纹波电流和电感值、开关频率有关。负路-12V的接法就不一样了。LM2596的GND引脚不能接系统的地而是要接到负输出端。VIN接系统正输入OUT通过电感接到系统地。续流二极管的方向也要反过来从负输出端到OUT。反馈电阻网络同样接在负输出端和FB之间但要注意FB的参考电压是相对于芯片GND引脚的而芯片GND引脚现在在负输出端所以反馈网络的地参考点变了。这里有个很容易搞混的地方LM2596的FB参考电压是1.23V这个电压是相对于芯片的GND引脚测量的。在反相拓扑里芯片GND引脚接在-12V输出上所以FB引脚相对于芯片GND的电压应该是1.23V也就是说FB引脚相对于系统地是-12V1.23V-10.77V。反馈电阻的分压比要按这个来算。我一开始没转过弯来按正路的思路算电阻结果输出只有-1V左右后来拿万用表一量FB对芯片GND的电压才发现分压比完全不对。2.3 两路共地的实现方式和潜在问题正路输出12V和系统地是共地的负路输出-12V是相对于系统地而言的。两路合在一起负载看到的就是±12V中间抽头是地。这个结构看起来简单但有个隐患如果正负两路负载不对称比如12V带1A、-12V只带100mA那么负路的LM2596可能进入轻载或者空载状态输出电压会飘高。LM2596在空载时输出电压会略微上升一般不超过5%但如果负路完全空载而正路满载共地电流会通过负路的反馈网络和芯片内部电路流动可能导致负路输出不稳定。我的解决办法是在负路输出端并一个假负载电阻比如1kΩ/0.5W让负路至少有个10mA左右的负载电流。这个电阻会消耗0.144W的功率对效率影响很小但能保证负路在正路满载时依然稳定。另一个办法是用LM2596-12的固定输出版本它的内部反馈网络对空载的容忍度稍好一些但假负载还是建议加上。3. LM2596核心参数计算与外围元件选型3.1 电感值的计算和选型要点LM2596的数据手册给出了电感选型的计算公式但那个公式是基于buck拓扑的。对于反相拓扑电感值的计算逻辑类似但占空比的定义不同。在buck拓扑中占空比DVout/Vin在反相拓扑中占空比D|Vout|/(|Vout|Vin)。以输入24V、输出-12V为例D12/(1224)33.3%。正路12V的占空比是12/2450%。电感值的选择要保证在最小负载电流时电感电流仍然连续。LM2596的数据手册推荐在输出电流1A到3A时使用33μH到100μH的电感。我实际用的是47μH/3A的功率电感饱和电流至少3A直流电阻小于100mΩ。这个电感在正路和负路都能用正路纹波电流大概0.3A负路因为占空比小纹波电流会大一些大概0.5A。选电感的时候要注意三个参数电感量、饱和电流、直流电阻。电感量决定了纹波电流的大小饱和电流必须大于峰值电流输出电流加上一半的纹波电流直流电阻影响效率。我试过用那种便宜的工字电感电感量标47μH但饱和电流只有1A结果一上电就饱和输出电压直接掉到5V芯片烫得能煎鸡蛋。后来换成屏蔽式功率电感问题就没了。3.2 续流二极管的选择和反向恢复问题续流二极管是buck和反相拓扑里最关键的元件之一。LM2596内部集成了开关管但续流二极管必须外置。数据手册推荐使用肖特基二极管因为肖特基的正向压降低、反向恢复时间短。常用的型号有1N58223A/40V、SS343A/40V、MBR3403A/40V。在反相拓扑里二极管承受的反向电压是Vin|Vout|输入24V输出-12V的话反向电压就是36V所以40V耐压的肖特基刚好够用但余量不大。如果输入电压可能超过28V建议选60V耐压的肖特基比如SS36或者MBR360。反向恢复时间这个参数在150kHz开关频率下不算太 critical但肖特基的零反向恢复特性确实能减少开关损耗和EMI。我用普通整流二极管1N4007试过效率直接掉了10个百分点二极管温度也高得吓人。所以别省这个钱肖特基是必须的。3.3 输入输出电容的容量计算与ESR要求输入电容的作用是滤除输入端的开关纹波电流输出电容的作用是平滑输出电压。LM2596的数据手册推荐输入电容至少100μF输出电容至少220μF。但实际使用中电容的ESR等效串联电阻比容量更重要。开关电源的纹波电压主要由电容的ESR和容量共同决定ESR越大纹波越大。我一般用低ESR的电解电容或者固态电容。输入电容用220μF/50V的低ESR电解输出电容用470μF/25V的低ESR电解再并一个100nF的陶瓷电容滤高频。负路的输出电容要注意极性因为输出是负电压电解电容的正极要接系统地负极接-12V输出。这个很容易接反接反了电容会爆我亲眼见过同事把负路的电容正负极搞反上电三秒钟电容就鼓包了声音还挺响。3.4 反馈电阻的计算过程和精度考虑LM2596的FB参考电压是1.23V正路输出的反馈电阻计算很简单Vout1.23×(1R2/R1)其中R1是FB到地的电阻R2是FB到输出的电阻。要得到12V输出R2/R1(12/1.23)-1≈8.76。取R11kΩR28.76kΩ实际用8.66kΩ或者8.8kΩ的1%精度电阻输出大概在12.05V到12.1V之间。负路的反馈电阻计算要绕个弯。芯片GND接-12V输出FB相对于芯片GND是1.23V所以FB相对于系统地是-10.77V。反馈电阻网络接在-12V输出和系统地之间分压点接FB。设R1是FB到芯片GND即-12V输出的电阻R2是FB到系统地即0V的电阻。根据分压关系FB相对于芯片GND的电压是1.23V所以R1和R2的分压比要满足1.23/(12-1.23)R1/R2即R1/R20.114。取R210kΩR11.14kΩ实际用1.1kΩ输出大概在-12.1V左右。电阻的精度建议用1%的金属膜电阻温度系数选100ppm/℃以内的。我用过5%的碳膜电阻输出偏差能到0.5V而且温度一变输出就跟着飘。后来换成1%的金属膜输出稳定在±0.05V以内。4. 从原理图到PCB的完整实操过程4.1 原理图绘制和网络连接检查画原理图的时候正路和负路要分开画但共地网络要连在一起。正路的LM2596的GND接系统地负路的LM2596的GND接-12V输出网络。负路的反馈电阻网络一端接-12V输出一端接系统地中间抽头接FB。续流二极管的方向要注意正路的二极管阴极接OUT阳极接GND负路的二极管阳极接OUT阴极接-12V输出。画完原理图后一定要做ERC检查重点看电源网络有没有短路、有没有悬空的引脚。我习惯在原理图上把正路和负路的网络标号区分开比如12V、-12V、GND、VIN、VIN_NEG这样PCB布局的时候不容易搞混。4.2 PCB布局的关键原则和走线技巧PCB布局是这套电源能不能稳定工作的关键。LM2596的开关频率150kHz虽然不算高但布局不好照样出问题。我总结了几条原则第一输入电容要尽量靠近LM2596的VIN引脚和GND引脚回路面积越小越好。输入电容的GND要和芯片的GND用短而粗的走线连在一起最好直接铺铜连接。第二续流二极管的阴极要靠近OUT引脚阳极要靠近GND或者-12V输出。二极管的走线要短因为它的电流变化率很高走线长了会辐射EMI。第三电感要靠近OUT引脚和输出电容走线要宽至少1mm以上因为电感电流是连续的走线电阻会影响效率。第四反馈电阻要靠近FB引脚反馈走线要远离电感和二极管避免耦合开关噪声。反馈走线尽量细一点但不要低于0.3mm。第五正路和负路的功率走线要分开不要交叉。如果实在要交叉用0Ω电阻或者跳线不要在PCB上直接交叉走线。我第一版PCB就是把负路的反馈走线从电感下面穿过去了结果输出纹波大了三倍后来把反馈走线绕到板子另一面纹波就正常了。4.3 焊接顺序和上电调试步骤焊接的时候先焊矮的元件再焊高的元件。先焊电阻、电容、二极管再焊电感、LM2596、接线端子。LM2596的TO-220封装要注意散热片的方向如果散热片要接GND那就直接焊在覆铜上如果散热片要接-12V那就要用绝缘垫片隔离。我一般把散热片接GND这样正路的芯片可以直接用覆铜散热负路的芯片加个绝缘垫片。上电调试分三步第一步不接负载用万用表测正路和负路的输出电压。正路应该在12V左右负路在-12V左右。如果偏差超过0.5V检查反馈电阻。第二步接一个100Ω的假负载测输出电压和纹波。纹波用示波器看AC耦合带宽限制20MHz正路纹波应该在50mV以内负路可能在80mV以内。第三步接实际负载测效率和温升。LM2596的温升在满载时大概40℃到50℃如果超过60℃要加大散热片或者降低输入电压。4.4 实测波形和效率数据记录我用24V输入、正路1A、负路0.5A的负载测了一组数据。正路效率88.2%负路效率85.6%。正路输出纹波42mV负路输出纹波68mV。负路纹波大一些是因为反相拓扑的占空比小电感电流纹波大。后来我在负路输出加了一级LC滤波纹波降到了25mV。温度方面正路LM2596的散热片温度48℃负路52℃。环境温度25℃。这个温升在可接受范围内但夏天高温环境下建议加个小风扇或者加大散热片。5. 常见问题排查与避坑经验实录5.1 负路无输出或输出异常的排查思路负路无输出是最常见的问题。先检查芯片GND引脚是不是接在了-12V输出上而不是系统地。如果接错了芯片根本不工作。再检查续流二极管的方向反相拓扑的二极管方向和正路是反的接反了输出会被二极管钳位到-0.7V左右。然后检查反馈电阻的分压比用万用表测FB对芯片GND的电压应该是1.23V左右。如果FB电压不对检查电阻值有没有焊错。我遇到过一次负路输出只有-1.5V的情况查了半天发现是反馈电阻的R1焊成了10kΩ应该是1.1kΩ。换过来之后输出就正常了。所以焊接完一定要用万用表核对一遍电阻值别太相信色环。5.2 输出电压随负载变化的可能原因输出电压随负载变化大一般是反馈回路的问题。检查反馈走线是不是太长或者离电感太近。反馈走线耦合了开关噪声会导致芯片误判输出电压从而调节异常。另一个原因是电感饱和负载电流大了之后电感量下降纹波电流剧增输出电压下降。用示波器看电感电流波形如果波形顶部变尖或者畸变就是电感饱和了换个大饱和电流的电感。还有一种情况是输入电容容量不够负载突变时输入电压跌落导致输出电压也跟着跌。在输入端并一个大容量电解电容比如470μF能明显改善负载瞬态响应。5.3 芯片发热严重和效率偏低的改善方法芯片发热严重先测效率。如果效率低于80%检查续流二极管是不是肖特基电感直流电阻是不是太大输入输出电容的ESR是不是太高。如果效率正常但芯片还是烫那就是散热不够。LM2596的TO-220封装热阻大概50℃/W消耗2W功率的话温升就是100℃肯定烫。加一块20mm×20mm的覆铜散热片热阻能降到30℃/W左右温升就降到60℃了。另外输入电压越高LM2596的开关损耗越大效率越低。如果输入是24V输出12V效率大概88%如果输入是12V输出12V那LM2596根本没法稳压需要低压差稳压器。所以输入电压的选择也要考虑一般输入比输出高3V到8V比较合适。5.4 纹波和噪声偏大的滤波改进方案纹波大是开关电源的通病。LM2596的输出纹波主要来自电感电流纹波和电容ESR。要降低纹波第一是加大输出电容第二是用低ESR电容第三是在输出加LC滤波。LC滤波的电感用10μH到22μH电容用220μF到470μF截止频率设在10kHz左右对150kHz的开关纹波衰减大概20dB到30dB。如果对噪声要求更高比如给高精度ADC供电可以在LC滤波后面再加一级LDO比如LM7812和LM7912。LDO的电源抑制比在低频段很高能把纹波压到微伏级别。但LDO的压差要留够LM7812的压差是2V所以LM2596的输出要调到14V然后LDO降到12V。这样效率会降一点但电源质量会好很多。5.5 常见问题速查表问题现象可能原因排查方法解决方法负路无输出芯片GND未接-12V输出测芯片GND对系统地电压将芯片GND改接到-12V输出负路输出-0.7V续流二极管方向接反检查二极管阴阳极调换二极管方向输出电压偏差大反馈电阻值错误万用表测电阻值更换1%精度电阻负载时输出跌落电感饱和示波器看电感电流波形换大饱和电流电感芯片发热严重散热不足或效率低测效率和温升加散热片或换肖特基纹波偏大输出电容ESR高示波器看纹波波形换低ESR电容或加LC滤波负路输出飘高负路空载测负路负载电流加1kΩ假负载电阻6. 这套双路电源的扩展玩法和个人心得6.1 从±12V扩展到±5V和±15V的改法这套方案的扩展性很好。要得到±5V只需要把反馈电阻的分压比改一下。正路5VR2/R1(5/1.23)-1≈3.07取R11kΩR23.07kΩ。负路-5VR1/R21.23/(5-1.23)0.326取R210kΩR13.26kΩ。±15V的话正路R2/R1(15/1.23)-1≈11.2负路R1/R21.23/(15-1.23)0.089。但要注意LM2596的最大输入电压是40V输出电流3A。如果要输出±15V输入至少18V而且负路的占空比会变大电感和电容的参数可能要微调。另外输出电压越高LM2596的开关损耗越大效率会下降。±15V输出时效率大概82%左右。6.2 用LM2596做多路输出的级联方案如果还需要5V或者3.3V可以从12V再降一级。比如用LM2596-5.0从12V降到5V或者用AMS1117从5V降到3.3V。级联的时候要注意总效率是各级效率的乘积比如12V效率88%5V效率85%总效率就是74.8%。如果负载电流大级联的效率损失会比较明显。另一种方案是用一个多绕组变压器加线性稳压但那就回到老路了。开关电源级联的好处是体积小、重量轻适合便携设备。6.3 个人实操中总结的几条硬核经验第一负路的假负载电阻不能省。我试过省掉假负载结果正路满载时负路输出从-12V飘到-13.5V运放直接饱和了。加个1kΩ电阻问题解决。第二反馈走线一定要远离电感。我有一版PCB把反馈走线从电感正下方穿过输出纹波从40mV飙到150mV。后来把反馈走线绕到板子背面纹波就正常了。第三输入电容的ESR比容量更重要。我用过两个1000μF的普通电解并联纹波还是很大后来换成一个470μF的低ESR电解纹波反而小了。所以买电容的时候要看ESR参数别只看容量。第四LM2596的散热片如果接GND正路可以直接用覆铜散热负路要加绝缘垫片。如果散热片接-12V那正路要加绝缘垫片。我一般统一接GND这样正路省事负路加个垫片就行。第五调试的时候先用小负载别一上来就满载。我见过有人直接接了个2A的负载结果电感饱和芯片烧了。先用100mA的负载测一下正常了再加大负载。这套±12V双路电源我前前后后做了五六版从最初的洞洞板到后来的四层PCB踩过的坑基本都在这篇文章里了。LM2596这颗芯片虽然老但胜在便宜、好买、资料全拿来练手或者做小功率模拟电源完全够用。如果你也在折腾运放或者音频电路不妨试试这个方案成本低效果也稳。