本次教程使用的元件多是贴片封装,所以焊接难度会有点高。
本次例程使用的芯片有以下几款:
lm2956
lm2575
tps5430
mp1584
mp2307
mp2315
这些芯片都是buck降压电源芯片
首先我们了解buck降压原理
我们看看一个12v转6v是怎么实现的:
我们可以将12v的电压每秒导通一半,电压就会有以下波形,其中打斜杠区域是电压做功区域
这样我们可以利用等面积原理,我们可以将电压做功部分切一半,填补到不做功区域,这样我们可以得到如下波形:
我们可以看到我们将做工区域填补后电压变得平滑了,而且电压也降为原来的一半。这就是buck降压的基本原理,实际开关的频率不会这么低,一般都是上几百khz,这样可以使得电压的变化在宏观层面看起来平滑很多。
由此可知,我们只要改变导通时间的占比就可以对输出电压进行调整。比如我想要降到8v,就将导通时间占整个周期的2/3就可以了。
然后让我们简单了解一下buck降压电路
这是一个最简单的buck电路,负载一般是阻性负载,所以我们可以把负载看作是一个电阻
当我们将开关按下的时候,电感一端就会连接输入+
同时二极管两端会有压差,二极管截止这样我们可以将电路简化:
电流会这样流过:
这样当我们按下开关时,相当于给电感充电。
当电感快充满时我们断开开关
这样电感就会感生出这样的压差,同时电容也快充满了
因为断开了开关,我们可以简化电路:
因为电感有感生电压这样就会有压差,电流就这样流
二极管在这里的作用就是给电感形成回路进行能量释放,所以我们也会把这个二极管叫做续流二极管,同时因为开关电源的频率都比较高,有的会到达上mhz,因此要求二极管能高频导通并且导通电压越低越好,刚好肖特基二极管都能满足这个需求,所以我们常常使用肖特基二极管组成简单的buck电路
在个电路中你可能会发现电容好像没有什么作用,恰恰相反,电容不仅可以滤波,使电压变得更平滑。而且可以阻碍电压的突变,使电压波动变缓
当电感和电容的能量释放完,我们又接通开关,整个buck电路就会重复上述过程,又来一次。这样就可以达到降压的目的。
接下来我们进行实操,我拿lm2596这个来举例,我们做可调输出版本的
我们在找到芯片的技术手册,该技术手册在半岛小芯上亦有记载
我们打开半岛小芯
半导小芯-芯片查询工具_芯片替代查询_数据手册查询_规格书查询_datasheet查询_IC查询_国产替代 (semiee.com)
我们选TI德州仪器的芯片
在芯片简介可以看到这个芯片有3.3V、5V、12V 和可调输出版本
打开芯片手册,我们可以看到5v固定输出的官方例程,我们是可调输出版本的,我们不要参考这个
在这里我们可以看到芯片引脚的定义
在这里我们看到芯片每个引脚看承受的最大电压,可以看到VIN
最大45v
这里可以看到它的参数,我们今天只做简单的降压,我们只看必要的东西,所以我们可以不看这些表这些是芯片内部原理图我们也不看
同样,这些特殊功能我们也不看
这里就重要了,这里是官方给出的可调版本的原理图
并且给出了反馈电阻的选型,以及输入电容470μF,输出电容220uf,电感68uh,肖特基二极管电流5a等基础信息
这里也很重要,因为这里描述了电容的选择,我们要在输入引脚和接地引脚之间需要一个低 ESR 铝或钽电容
还有后面的一些元件选型也要注意,同时官方还给出了PCB的布局建议,我们画PCB可以根据官方的建议来画,但是这里是插孔封装的例子,我们是贴片的,所以不太适用
至此,一个技术手册我们就基本看完了
接下来我们进行实操
本次例程我将以15到28V输入转12V输出为例子
我们先确定我们的反馈电阻是多少,根据官方技术手册上显示的公式,我们把VOUT=12V带入,,然后将R2设定为10k电阻就可以计算R1电阻,但是这样计算出来的电阻市面上不一定有卖,所以我们可以借助ai问问R1和R2应该取什么常用的电阻值可以满足我们的 需求
可以看到ai给我们的结果是
这里,我选择的组合是第一个,然后搭配20k精密电位器。这样我们到时候可以调整输出电压
然后开始选元件
对于电容,我选择容量220uf耐压35V的直插电容,尺寸是8*12的
对于电阻我选择1206封装的贴片电阻
电位器我选择3296封装的
lm2596一定是ADJ可调版本
续流二极管方面我选择ss54,封装SMB的,额定电流达到5a,完全满足我们的需求
接下来是电感的选择,电感的选择我们不仅需要注意电感的电感量,我们还要注意电感的额定电流,通常来说,再相同体积下,电感量越大,额定电流会越小。这次电感我选择1265封装,电感量68uh的电感,原因是因为比较大,适合新手焊接,其次是在68uh电感量下连续直流电流可以达到3.8a,能满足我们的需求。
最后还有2.54排针,方便我们连接杜邦线。
对于焊接方面我建议新手使用助焊剂,这样可以提高焊锡表面张力,使锡融化后像水一样具有流动性,同时可以去除被焊接物件表面氧化物,使元件更好焊接,同时焊锡可以选择168°熔点的焊锡,这样焊接成功率高。
还有朋友可能会选择松香作为助焊剂,松香的优点就是焊接后可以不用清洗,但是新手使用松香容易弄坏烙铁头。
首先我们打开嘉立创EDA新建工程
然后我们放置器件,第一个就是lm2596,我们应该选择ADJ版本,就是可调压的版本
接着我们放置输入和输出电容,因为官方建议输入470uf,为了少买元器件,这里我选择并联两个220uf电容达到相同效果,所以我们输入和输出都是220uf电容
放置好后双击修改到220uf,然后再复制两个
然后我们放置电阻,
还有20k精密电位器
接着修改值
然后是二极管,注意封装是smb的
至此开关电源的基础元件放完了
然后我们需要外置接口,方便我们连接电源线,这里我们放置2.54间距的排针
修改一下标识
然后是电感
然后我们根据技术手册的原理图连接,在这里我们不使用前馈电容,因为前馈电容使用不恰当会导致纹波变大。
大家有没有发现,这个芯片和我们刚开始学习的基本BUCK降压电路很像
它只不过是把开关变成了芯片。我们只要把输入滤波电容(蓝色部分),芯片接地(绿色部分),反馈电阻(红色部分)去除就是基本buck电路
这是原理图画好的样子,这里我给fb放置了标签
然后可以画PCB了
这款PCB布局比较简单,我们先需要保证L,C,D三个元件的电流路径尽可能短(蓝色箭头)
然后我们绘制反馈电阻路径,正常来说,两个反馈电阻越接近芯片反馈引脚越好,这样子FB引脚连接的导线(蓝色框那根)所耦合环境中的电磁波干扰就会少很多,但是这里为了照顾新手焊接,把反馈电阻放远了
接着就是要注意反馈电阻连接到输出端的导线(蓝色这跟),我们最好是把导线接到输出电容端,并且导线上方尽量不要有元件
在立创EDA这个软件中默认是双面板,蓝色是底层走线,红色是顶层走线.
在一般的设计中我们常用双面板,并且把元件放置在顶层,并且在顶层走信号线和电源正极线,在底层走电源负极线,即即地线(GND)。同时尽量减少不必要的过孔,避免锐角走线,并且在底层保证大面积的地线,并且减少底线的分割,这样可以减少电路板的EMI,增强EMC。对于大电流走线,我们应该增大走线的线宽,通常来说,10mil线宽可以走1A电流,20mil可以走2A电流,40mil可以走3A电流。
按照这些,我们对PCB进行布线,在布线的适合我们按下Tab就可以修改线宽,对于电源输入端我选择50mil线宽。
对于锐角走线,蓝色圈是错误示范
我们应该像这样避免锐角
我们通常把GND放在后面再连接,并且使用铺铜的方式连接
在这里铺铜
选择顶层和GND
效果:
同样的,在底层做同样的操作
最后检查DRC快快有没有错误,没有错误就可以打板了
在这里可以看看焊接好的样子
本次板子还有很多的改进地方,为了照顾新手,这里就没有做太复杂。
我们可以在这里增加过孔,目的是减少GND的回流路径。
这里不赘述
最后我们生成Gerber文件就可以发给嘉立创打板了
最后附上工程文件通过网盘分享的文件:ProProject_lm2596_2025-04-25.epro 链接: https://pan.baidu.com/s/1gpfxmy7tLVAbiB--A1H0-g?pwd=0000 提取码: 0000
剩下的芯片也是差不多的