本次设计的是24V-5V降压DC-DC稳压电路，即通过该电路实现将直流电源电压降为更低的电压，得到稳压输出，并满足相应指标要求。我采用了技术上比较可靠的LM2596开关电压调节器芯片，核心电路采用BUCK降压电路，能实现输入24V、降压输出可调的功能。

方案设计与论证

技术指标

1、输入电压24V；

2、输出5V/0.5A；

3、满载效率不低于70%；

4、纹波电压小于100mVpp

电路形式的选择

BUCK电路的原理及优缺点

BUCK电路的基本结构

所谓BUCK电路，其实就是一种降压斩波器电路结构，这种拓扑结构在DC-DC变换电路中非常常见，平时比较常用的DC-DC芯片，如LM2596,XL7025等都是这种BUCK拓扑结构。

从BUCK电路的基本结构可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使U_d的直流分量可以通过，而抑制U_d的谐波分量，电容上输出电压U_o就是U_d的直流分量再附加微小纹波U_ripple；
电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波U_ripple很小，相对于电容上输出的直流电压U_o有：

U_ripple << U_o

电容上的电压宏观上可以看作恒定,电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流；
一个周期内电容充电电荷数高于放电电荷数时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程延续直到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减少，使电容电压下降速度减慢，这种过程也延续直到充放电平衡，最终维持电压不变。

上述过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。
如下图，电路处于导通状态时，电感电流增加，电感储能；而当电路处于截止状态时，电感电流减小，电感放电。

假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：

ΔΨ = L(Δt) > 0

此增量将产生一个平均感应电势：

u = ΔΨ / T > 0

此电势将减缓电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零，一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡，这是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。

开关电源稳压还是线性电源稳压

开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。如图所示，电路由开关K(实际电路中为三极管或者场效应管)，续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。

开关电源稳压等效电路

当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用(可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用)，将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间(即PWM，脉冲宽度调制)，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

线性电源是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。线性电源主回路的工作过程是输入电源先经预稳压电路进行初步交流稳压后，通过主工作变压器隔离整流变换成直流电源，再经过控制电路和单片微处理控制器的智能控制下对线性调整元件进行精细调节，使之输出高精度的直流电压源。

线性稳压电源的优点是输出电压质量高、纹波小、不需要使用电感元件。线性稳压电源经过变压、整流、滤波、稳压实现电源稳压。优点是稳定性好，瞬态响应速度快，可靠性高，输出电压精度高，输出纹波电压精度小。缺点是变换效率较低，尤其是在输入输出电压差较大的情况下。如果输出电流也较大，会有明显的发热发烫现象，甚至可能烧坏稳压器。

电源管理芯片的选择

LM2596系列是德州仪器（TI）生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。该系列提供了有3.3V、5V、12V及可调（ADJ）等多个电压档次产品。由于该器件可以使用通用的标准电感，这更促进LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。

LM2596还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内；可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。

LM2596内部框图

LM2596的特点

3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出；
可调输出电压范围(1.2V-37V)±4%；
输出线性特性好且负载可调节；
输出电流可达3A；
输入电压可达40V；
采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，具有功耗小、效率高的特点；
低功耗待机模式，待机电流的典型值为80uA；
具有TTL断电能力；
具有过热保护和限流保护功能；
封装形式T0-220(DIP)和T0-263 (SMD)；
外围电路简单，仅需数个外接元件，且使用标准电感，比较容易购买

LM2596应用领域

高效率降压调节器
单片开关电压调节器
正、负电压转换器

电路设计及仿真

电路设计方案

从LM2596数据手册可以找到参考应用电路，依照此电路搭建LM2596可调输出BUCK调节器电路。此处为了实现输出电压可调，初步考虑将参考电路中固定的反馈电阻R2换成10KΩ的微调电阻。若要输出电压为5V，那R2的阻值约为3.1KΩ。

电路设计中要注意让反馈支路线要远离电感，电路加粗的线尽量要短，调节输出电压的电阻R1、R2要靠近LM2596芯片的4脚。

理论参考电路

工作原理

当LM2596内部开关管导通时，24V电源电压通过导通的开关管，从IC的2脚给LS1和C1、C2充电和负载供电，LS1和C1、C2储能，D1（1N5821）截止；当LM2596内部开关管截止时，IC的2脚不再输出24V，LS1放电维持负载电流（磁场能转换成电能），D1导通，提供L1放电的电流回路同时，C2也放电，电位略下降，此电位通过IC的4脚，与IC内部产生的基准电压比较，低于基准电压时，IC内部开关管再次导通，开始下一个循环。

原理图

电路原理图

(1) D1用作续流二极管，为电感LS1续流；

(2) DC-DC电路开关频率提高，电源纹波变小，环路的带宽变高，系统的瞬态响应会更好，同时频率越高，电感量越小，但是同时BUCK电路的开关损耗和电感的迟滞和涡流损耗也变大了，实际设计中需要做一些取舍；

(3) 输出电压：

本次设计中要求输出为5V，R₁为固定电阻1KΩ，计算得R_P2约为3.1KΩ；

(4) 电感选择：

查得LM2596内部开关饱和电压为V_sat = 1.16V，二极管1N5821的正向压降为V_D = 0.5V。可以通过下面的公式计算电感电压与时间（微秒）的乘积：

从下图的电感值选择指导看出，电感的取值范围可以由上述的E·T值和和所允许最大负载电流来决定。由上面公式计算出E·T值，然后在图7的纵轴上找到对应的数值。在横轴上，选择最大的负载电流。通过 E·T的值和最大负载电流值确定电感范围，同时记录下该范围所对应的电感号。通过电感号来确定具体的电感值，从而选择合适的电感。另外电感的选择还应考虑LM2596芯片的开关频率150KHz和通过的电流额定值。

电感选择指导

(5) 前馈电容选择：

前馈电容即原理图中的C₁，上面算得R_P2约为3.1KΩ，代入下式计算，该前馈电容取10nF即可。

仿真测试

仿真测试方案

借助TI公司的一款在线设计和仿真工具WEBENCH进行电路仿真。仿真工具提供了LM2596搭建的许多种典型电路，可从上面直接找到与本设计符合的参考电路。为了符合本设计的指标，可对电路参数进行修正。限定最小输入电压为12V、最大值则为40V，典型值是24V，输出电压典型值改为5V，负载电流最大值改为2.5A，典型值是0.5A。其余元件参数由仿真工具自动调整以达到设定的指标，然后开始仿真即可查看各电路参数的波形。

WEBENCH仿真