LM2596 是一款常用的 DC-DC 降壓調(diào)節(jié)器（Buck Converter），廣泛應(yīng)用于電源管理、穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)和多種電子設(shè)備中。它能夠?qū)⑤^高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓，并且在轉(zhuǎn)換過(guò)程中能夠保持較高的效率。LM2596 內(nèi)置了電感器，然而它對(duì)外部電感器的選擇仍有一定要求。電感器是降壓轉(zhuǎn)換器中不可或缺的一個(gè)重要組件，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率以及輸出波形的質(zhì)量都有重要影響。

1. LM2596 降壓調(diào)節(jié)器概述

LM2596 是由 Texas Instruments (德州儀器) 推出的系列降壓電源管理芯片之一，其工作原理基于脈寬調(diào)制（PWM）控制。它采用了內(nèi)部功率 MOSFET 和內(nèi)部電感，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電壓轉(zhuǎn)換，且具有較低的熱損耗。LM2596 支持輸入電壓范圍從 4V 到 40V，適用于很多應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是那些需要降低高電壓至較低電壓的場(chǎng)合。

LM2596 的典型應(yīng)用場(chǎng)合包括：

• 電池供電設(shè)備的電壓調(diào)節(jié)

• 3D 打印機(jī)電源

• Arduino 或其他單片機(jī)開(kāi)發(fā)板電源供電

• LED 驅(qū)動(dòng)電源

• 充電系統(tǒng)等

2. 電感器在 LM2596 中的作用

在任何 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器中，電感器都起著至關(guān)重要的作用。它與開(kāi)關(guān)元件（通常是 MOSFET）和二極管一起，構(gòu)成了能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換的核心電路部分。LM2596 降壓調(diào)節(jié)器雖然內(nèi)部集成了電感器，但在設(shè)計(jì)時(shí)，選用合適的外部電感器對(duì)優(yōu)化其性能至關(guān)重要。

2.1 電感器的作用

電感器在降壓轉(zhuǎn)換器中主要承擔(dān)以下幾個(gè)功能：

• 能量存儲(chǔ)：電感器通過(guò)在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)吸收和釋放能量，調(diào)節(jié)電流的變化。它儲(chǔ)存的能量能夠平滑輸出電壓，降低電壓波動(dòng)。

• 濾波：電感器與電容器組合使用時(shí)，可以有效濾除高頻噪聲和波紋，從而提高輸出電壓的穩(wěn)定性。

• 控制輸出電流：電感器與負(fù)載一起決定了電流的傳輸和轉(zhuǎn)換，它直接影響到系統(tǒng)的效率和輸出電流的平穩(wěn)性。

2.2 電感器的選擇

雖然 LM2596 內(nèi)置了電感器，但實(shí)際應(yīng)用中，用戶常常需要為 LM2596 選擇外部電感器。選擇正確的電感器可以顯著提高轉(zhuǎn)換器的效率、降低電磁干擾（EMI）和減小輸出電壓波紋。

選擇外部電感時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：

• 電感值（L）：LM2596 降壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率通常為 150kHz（標(biāo)準(zhǔn)模式），因此選用的電感器需要提供合適的電感值，以確保在轉(zhuǎn)換過(guò)程中能儲(chǔ)存足夠的能量。一般來(lái)說(shuō)，LM2596 使用的電感值范圍為 33μH 到 100μH。

• 電流額定值（Isat）：電感器的額定電流決定了它能承受的最大電流。對(duì)于 LM2596，外部電感器的額定電流需要大于最大負(fù)載電流。

• 直流電阻（DCR）：電感器的直流電阻會(huì)影響到系統(tǒng)的效率。較低的 DCR 可以降低電感器的能量損耗，提升轉(zhuǎn)換效率。

• 尺寸和類(lèi)型：在選擇電感時(shí)，還需要根據(jù)電源的大小、使用場(chǎng)合和預(yù)算選擇適當(dāng)?shù)某叽绾皖?lèi)型。常見(jiàn)的電感器類(lèi)型包括 SMD（表面貼裝型）和通孔型。

2.3 電感器與輸入輸出電壓關(guān)系

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電感的選擇會(huì)直接影響到 LM2596 降壓轉(zhuǎn)換器的工作性能。具體來(lái)說(shuō)：

• 輸入電壓：輸入電壓較高時(shí)，電感器需要儲(chǔ)存更多的能量，從而影響其選型。例如，當(dāng)輸入電壓為 12V 時(shí)，電感器需要提供更高的能量存儲(chǔ)能力以維持較低的輸出電壓（如 5V）。因此，高輸入電壓系統(tǒng)可能需要更大的電感值。

• 輸出電壓和負(fù)載電流：輸出電壓和負(fù)載電流也是選擇電感器時(shí)需要考慮的重要因素。較大的負(fù)載電流要求電感器能夠提供更多的電流傳輸能力，而較低的輸出電壓則要求更精確的電流控制和電壓調(diào)節(jié)。

3. LM2596 降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

LM2596 降壓轉(zhuǎn)換器的核心工作原理是基于開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）技術(shù)，其通過(guò)周期性的開(kāi)關(guān)操作來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

3.1 PWM 控制

LM2596 采用了脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)來(lái)控制開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間。在一個(gè)周期內(nèi)，LM2596 會(huì)快速地打開(kāi)和關(guān)閉其內(nèi)部 MOSFET，控制通過(guò)電感器的電流大小。通過(guò)調(diào)整 MOSFET 的開(kāi)關(guān)頻率和占空比，LM2596 可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確控制。

3.2 電感器的能量傳遞

當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓會(huì)使電感器產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存能量。MOSFET 關(guān)閉時(shí)，電感器會(huì)釋放儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管輸送到負(fù)載。電感器在這個(gè)過(guò)程中起到了平滑電流的作用，減少了電流波動(dòng)，并有效地將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓。

3.3 輸出電壓的控制

LM2596 內(nèi)部有一個(gè)反饋環(huán)路，它通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出電壓與參考電壓的差異來(lái)調(diào)整 PWM 信號(hào)的占空比，從而精確控制輸出電壓。反饋控制系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率，以應(yīng)對(duì)負(fù)載變化，保持輸出電壓的穩(wěn)定性。

4. LM2596 應(yīng)用中的電感器優(yōu)化

盡管 LM2596 自帶電感器，但實(shí)際應(yīng)用中，選用外部電感器時(shí)可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能。以下是一些優(yōu)化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)：

4.1 提高轉(zhuǎn)換效率

選擇低 DCR 電感器能夠減少電感器的損耗，從而提高 LM2596 轉(zhuǎn)換器的整體效率。效率的提高意味著系統(tǒng)能夠更少地產(chǎn)生熱量，延長(zhǎng)使用壽命。

4.2 降低輸出電壓波紋

輸出電壓的波紋通常由開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率和電感器的濾波性能決定。選用適當(dāng)?shù)碾姼衅髂軌蚪档碗妷翰y，使得輸出電壓更加穩(wěn)定，尤其是在對(duì)精度要求較高的應(yīng)用中非常重要。

4.3 控制電磁干擾（EMI）

在高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程中，電感器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。通過(guò)選擇低 EMI 電感器，可以有效地抑制噪聲，減少對(duì)其他電路的干擾。合理布局電感器和其他組件的位置也是減少 EMI 的有效方式。

4.4 提高負(fù)載響應(yīng)速度

負(fù)載突變時(shí)，系統(tǒng)需要能夠快速響應(yīng)并調(diào)整輸出電壓。電感器的選擇對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度有較大影響。合適的電感值可以使得系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)迅速穩(wěn)定輸出電壓。

5. 常見(jiàn) LM2596 電感器選擇示例

• 33μH 電感器：適用于中等功率的 LM2596 應(yīng)用，通常可以承受約 3A 的負(fù)載電流，適合用于輸入電壓較高（例如 12V 或 24V）的場(chǎng)景。

• 47μH 電感器：適合用于負(fù)載電流較大的系統(tǒng)，能夠提供更好的濾波效果，減少輸出波紋。

• 100μH 電感器：適用于低功率應(yīng)用或者需要極低波紋的應(yīng)用，適合輸入電壓較低（如 5V）的系統(tǒng)。

6. 總結(jié)

電感器在 LM2596 降壓調(diào)節(jié)器中的作用不可忽視，它直接影響到系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。在設(shè)計(jì)中，正確選擇電感器對(duì)優(yōu)化整個(gè)電源系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。盡管 LM2596 內(nèi)置了電感器，但在實(shí)際應(yīng)用中選擇外部電感器時(shí)，仍需根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、負(fù)載要求等因素綜合考慮電感值、電流額定值和直流電阻等參數(shù)，以獲得最佳的性能和效率。