LM2596＋AMS1117 两级降压电源设计

前言

做单片机实验时，供电往往是接线前就要解决的问题。手边的电源可能是 12 V、24 V，而单片机和外设需要的是 3.3 V、5 V。同一套电路里，不同器件的工作电压也未必相同，不能把输入电源直接接到所有器件上。

因此，我想做一块能同时提供 5 V 和 3.3 V 的电源板，方便之后搭建实验电路。除了得到两路输出，也借这个过程弄清楚：降压芯片为什么还需要电感、二极管和电容，这些元件的参数怎样确定，以及它们在 PCB 上应该怎样连接。

这块板目前已经完成制作与实测。在约 12 V、24 V、32 V 三个输入电压点，两路空载输出均处于预期电压附近；接入电子负载后，5 V 和 3.3 V 两路分别完成了约 0.8 A 的带载测试。下面从电路设计讲起，再把实物与测量结果放在一起看。

确定供电方案

为什么分成两级

获得较低的直流电压，可以使用线性稳压器，也可以使用开关降压电路。两者处理输入、输出压差的方式不同。

线性稳压器通过内部调整管维持输出电压，输入与输出的电压差落在调整管上。流过它的电流越大，产生的热量就越多。忽略芯片自身消耗，功率损耗可以估算为：

$$P \approx (V_{\mathrm{in}} - V_{\mathrm{out}})\,I_{\mathrm{out}}$$

例如，12 V 输入、3.3 V 输出，稳压器输出电流为 100 mA，压差损耗约为 0.87 W。如果把它的输入先降到 5 V，同样电流下，这部分损耗就降到约 0.17 W。

所以，本版采用“开关降压＋线性稳压”：LM2596 先得到约 5 V，AMS1117 再从这一路得到约 3.3 V。前一级承担大部分电压转换，后一级处理较小的压差。同时将一级输出引出，供需要 5 V 的外设使用。

直流输入 → 防反接与输入旁路 → LM2596 → 约 5 V，再分为两路：

• 直接接到 5 V 输出接口。
• 经 AMS1117 稳压后，接到约 3.3 V 输出接口。

本版的设计范围

输入主要面向 12 V、24 V 直流电源，最高正常输入按 32 V 设计；初始参数计算以一级总输出 0.5 A 为工作点。后面的实测进一步记录了两路分别带约 0.8 A 负载时的表现。这里的 32 V 是设计输入范围，不是过压保护的动作点。

5 V 与 3.3 V 两路共地。由于 AMS1117 由一级供电，一级电流需要同时包含外部 5 V 负载和二级输入电流：

$$\begin{aligned} I_{\text{一级}} &\approx I_{\text{外部 5V}} + I_{\text{二级输入}} \\ &\quad + I_{\text{一级分压及指示灯}} \\[0.8em] I_{\text{二级输入}} &\approx I_{\text{外部 3.3V}} \\ &\quad + I_{\text{二级分压及芯片自身消耗}} \end{aligned}$$

因此，参数计算中的 0.5 A 指一级合计输出电流。两路同时接入单片机、显示屏或其他模块时，需要按这个分路关系合计电流。

下面是本版原理图。上半部分为 LM2596 降压电路，下半部分为 AMS1117 稳压电路；后面的元件编号都与这张图对应。

一级降压电路

电压是怎样降下来的

先看 U1、D2、L1 和 C3 组成的部分。

LM2596 内部有一个高速开关。它导通时，输入电源经开关和 L1 向输出送电；关断时，输入到电感的通路被切断。但电感中的电流不能瞬间降为零，D2 就为它提供了另一条通路，使电流继续经过 L1 流向输出。

以电感电流连续的情况来看，一个周期内有两种状态：

• 开关导通：输入 → U1 内部开关 → L1 → 输出 → GND。
• 开关关断：GND → D2 → L1 → 输出 → GND。

导通期间，电感电流上升；关断期间，电感电流下降。D2 因此称为“续流二极管”，它的阴极接 U1 的 OUT，阳极接 GND。

U1 的 OUT 脚输出的是开关脉冲，这个位置也叫 SW 节点。脉冲经过 L1 和输出电容后，才在右侧形成较平稳的直流电压。LM2596 再通过反馈，调整每个周期内开关导通的时间，使输出维持在设定值附近。其典型应用和引脚说明见 LM2596 数据手册。

用反馈电阻设定输出

芯片需要知道实际输出是多少，因此从电感后方取样，通过 R2、R1 分压后送到 FB 脚。

输出升高时，FB 电压也升高，控制电路减少向输出传递的能量；输出降低时则相反。稳态时，FB 电压维持在内部参考值附近。按 1.23 V 的标称参考电压计算：

$$\begin{aligned} V_{\mathrm{FB}} &= V_{\mathrm{out}}\,\frac{R_1}{R_1 + R_2} \\[0.6em] V_{\mathrm{out}} &\approx 1.23\left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) \end{aligned}$$

本版使用 R1＝1 kΩ、R2＝3 kΩ：

$$\begin{aligned} V_{\mathrm{out}} &\approx 1.23\left(1 + \frac{3000}{1000}\right) \\ &\approx 4.92\,\mathrm{V} \end{aligned}$$

这组阻值使用 0603、1% 电阻，方便采购和焊接。接口标为 5 V，按标称参考电压计算为 4.92 V；实物的空载测量结果为 4.96～4.98 V。

由电流变化确定电感参数

电感限制的是电流变化速度。在相同电压作用下，电感量越大，电流上升、下降得越慢，一个开关周期内的电流起伏也越小。

导通时，忽略开关压降，电感两端电压约为 Vin − Vout。由电感关系式可得：

$$\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}i}{\mathrm{d}t} &= \frac{V_L}{L} \\[0.6em] \Delta I_L &\approx \frac{(V_{\mathrm{in}} - V_{\mathrm{out}})\,t_{\mathrm{on}}}{L} \end{aligned}$$

再用导通时间 ton＝D/f，以及理想连续导通 Buck 的占空比 D≈Vout/Vin，就得到：

$$\Delta I_L \approx \frac{V_{\mathrm{out}}\left(1 - V_{\mathrm{out}}/V_{\mathrm{in}}\right)}{L\,f}$$

这里 ΔIL 是电流纹波的峰峰值。为了便于估算，取输出 5 V、输入 32 V、开关频率 150 kHz，代入本版使用的 68 μH：

$$\begin{aligned} \Delta I_L &\approx \frac{5\,\mathrm{V}\times(1 - 5/32)}{68\,\mu\mathrm{H}\times150\,\mathrm{kHz}} \\ &\approx 0.414\,\mathrm{A} \end{aligned}$$

当一级平均输出为 0.5 A 时，电感电流围绕这个平均值上下变化：

$$\begin{aligned} I_{\text{峰值}} &\approx 0.5 + \frac{0.414}{2} \\ &= 0.707\,\mathrm{A} \\[0.6em] I_{\text{谷值}} &\approx 0.5 - \frac{0.414}{2} \\ &= 0.293\,\mathrm{A} \\[0.6em] I_{\text{有效值}} &\approx \sqrt{0.5^2 + \frac{0.414^2}{12}} \\ &= 0.514\,\mathrm{A} \end{aligned}$$

因此，检查电感是否会饱和，要看约 0.707 A 的峰值；评估绕组发热，则要结合约 0.514 A 的有效值和直流电阻。这也解释了为什么输出电流为 0.5 A，不能只找一颗标着“0.5 A”的电感。

本版采用 68 μH 电感。在上述计算条件下，电流纹波峰峰值约为平均电流的 83%。增大电感量可以降低这个比例，选型时还要一起比较器件体积、直流电阻、饱和电流和温升电流。

这里计算的是电感电流纹波。它与输出端的电压纹波属于不同的量：电感、电容和电容的 ESR 共同影响最终的输出电压波动，后文通过示波器记录实物的输出纹波。

输入端为什么还要放电容

开关导通时，输入端需要向电路提供电流；关断时，这一路电流随之改变。如果只靠较长的供电线送电，导线的寄生电感和阻抗会使芯片输入端出现电压波动。

C1、C2 放在 U1 附近，就是为了让快速变化的电流能就近取得。C1 使用 100 μF／63 V 贴片电解，C2 使用 1 μF／50 V 陶瓷：前者提供较大的储能容量，后者承担较高频率下的旁路作用。

它们前面的 D1 同样选用 SS56，但这里是串联防反接。D1 阴极朝向电路内部，正常接线时导通，反接时阻断输入。它与续流用的 D2 型号相同，连接位置和工作过程不同。

输出电容怎样配合电感

电感电流在一个周期内起伏，负载却需要相对稳定的供电。电感送来的电流多于负载需求时，多出的部分给输出电容充电；少于负载需求时，电容补上差额。

因此，输出电容承受的是两者之间的电流差：

$$i_C = i_L - i_{\text{负载}}$$

同样的充放电电流作用下，容量越大，电压变化越慢。但实际电容还存在等效串联电阻 ESR，纹波电流经过它，也会形成电压纹波。

本版 C3 使用 330 μF／35 V 贴片电解，旁边并联 C4＝100 nF 陶瓷。输出电容选型需要同时考虑容量、ESR 和额定纹波电流。对 LM2596，这些参数也关系到反馈环路稳定性，具体选择可对照手册的输出电容要求。

输入端的 100 μF 与输出端的 330 μF，分别应对不同位置的电流变化，所以无需按电路前后顺序逐级减小容量。

二级稳压电路

从约 5 V 得到约 3.3 V

一级输出同时接到 5 V 接口和 U2 的输入。U2 使用 AMS1117-ADJ，输入旁放置 C5＝10 μF、C6＝100 nF。

AMS1117 的反馈关系与前一级有所不同：它维持的是 OUT 与 ADJ 之间约 1.25 V 的电压差。因此，R3 接 OUT 与 ADJ，R4 接 ADJ 与 GND。

$$\begin{aligned} V_{\mathrm{out}} &\approx 1.25\left(1 + \frac{R_4}{R_3}\right) \\ &\quad + I_{\mathrm{adj}}\,R_4 \end{aligned}$$

本版 R3＝120 Ω、R4＝200 Ω。忽略调节脚电流时：

$$\begin{aligned} V_{\mathrm{out}} &\approx 1.25\left(1 + \frac{200}{120}\right) \\ &\approx 3.33\,\mathrm{V} \end{aligned}$$

计入数十微安的典型调节脚电流后，约为 3.34 V。

这里选择 120 Ω，还有一个与稳压有关的作用。它两端约有 1.25 V，因此分压支路的电流约为：

$$I_{\text{分压}} \approx \frac{1.25}{120} \approx 10.4\,\mathrm{mA}$$

这条支路在外部空载时仍然存在，为可调稳压器提供基本负载。参考的 AMS1117 原厂应用说明采用约 10 mA 的分压支路电流，并给出了输出电压的计算关系。采购时仍需对应所用厂家的具体版本。

压差、散热与输出电容

按前面的标称值，U2 输入约为 4.92 V，输出约为 3.34 V，压差约为 1.58 V。这个压差为稳压器调整输出提供了空间，也会在负载电流通过时转化为热量。

例如，二级总输出电流为 100 mA，忽略芯片自身消耗，压差损耗约为 0.158 W；电流增加到 300 mA，约为 0.474 W。于是，二级能带多大负载不仅取决于芯片电流规格，也取决于这部分热量能否散出去。

输出端采用 C7＝22 μF／10 V 贴片钽和 C8＝100 nF 陶瓷。C7 的选择参考了原厂应用说明中的输出稳定性方案。它既在负载变化时提供缓冲，也参与稳压器的稳定工作。

还有一个直接影响 PCB 的连接：AMS1117 的大焊片属于 OUT，与 2 脚同属输出网络。它应接到 3.3 V 铜区；LM2596 的大焊盘则属于 GND，两颗芯片不能按同一种散热接法处理。

PCB 设计

从电流路径看布局

图中左侧是输入排针、D1 和 C1；中间由 U1、D2、L1、C3 构成一级功率电路；右上方是 U2 及其外围元件。这样分区后，输入、5 V 和 3.3 V 的路径比较容易辨认。

其中需要优先关注的是 U1 下方、C1 右侧的区域。前面已经分析过：开关导通时，电流经过 U1；关断时，电流转由 D2 承接。C1、U1、D2 之间的高频回路如果绕得很大，走线寄生电感带来的电压尖峰和干扰也会更明显。

所以，这一组元件的靠近，不只是为了让正极连线短，也要让 C1 负端、D2 阳极和 U1 的地之间有紧凑的回流连接。图中 D2 放在 U1 的开关引脚附近，L1 接在它的右侧；检查这块区域时，应把正向路径和回流路径一起看。

输出取样与铺铜

R1、R2 位于 U1 的右侧。它们从 L1 后的输出节点取样，将分压送回 FB。反馈线传递的是用于调节输出的电压信息，因此需要与开关节点区分开，尽量避免沿 SW 铜区或电感附近长距离走线。

功率连接和反馈连接承担的任务不同：前者需要较低阻抗，后者更在意取样位置和干扰。本版以 40～60 mil 或局部铜区作为主电源通路的布线起点，反馈线按 10 mil 处理。具体载流能力还与铜厚、线长和温升有关。

同样，铺铜也要按网络用途处理。U1 的 GND 大焊盘可以连接地铜辅助散热，U2 的输出焊片可以扩展到 3.3 V 铜区；U1 的 OUT 到 D2、L1 这一段则是快速变化的 SW 节点，应保持紧凑。

封装与接口

主要元件采用贴片，电阻使用 0603，输入和两路输出均用排针引出，并加上电压与极性丝印。

本版采购的两颗贴片电解分别为 100 μF／63 V 和 330 μF／35 V，商品标注外形均为 10×10.5 mm；22 μF 钽电容选择 A 型。封装选择同时考虑外形、焊盘尺寸和极性，方便元件定位与焊接。

下面是制作前的 3D 预览。PCB 设计完成时，软件 DRC 结果为 0。

实物与实际测试

PCB 制作完成后，按照原理图焊接元件，并引出输入、5 V 和 3.3 V 接口。两路输出分别配有指示灯，方便上电时观察供电状态。

测试使用 SIGLENT SPD3303C 可调直流电源供电，VICTOR VC890D 万用表测量空载输出，ET5408A+ 电子负载进行恒流带载测试，SIGLENT SDS1102X-E 示波器测量输出纹波。

测试分为不同输入电压下的空载输出、两路输出分别带载，以及持续运行和纹波观察。空载电压采用万用表读数；带载电压、电流和功率采用电子负载显示值，测量位置在负载端，包含连接导线与接触点的压降。

空载输出测试

不接外部负载，分别将输入电压调整到约 12 V、24 V 和 32 V，使用万用表依次测量两路输出。输入电压记录为直流电源显示值。

输入电压	5 V 输出电压	3.3 V 输出电压
11.99 V	4.96 V	3.32 V
23.99 V	4.98 V	3.33 V
31.98 V	4.98 V	3.32 V

在这三个输入电压测试点，5 V 输出的读数为 4.96～4.98 V，3.3 V 输出的读数为 3.32～3.33 V。输入电压变化时，两路输出均保持在预期电压附近，验证了上述输入条件下的基本稳压功能。

这组结果也能与前面的反馈电阻计算对应起来：一级计算值约为 4.92 V，二级约为 3.33 V，实物读数与设计目标接近。

电子负载测试

带载测试将输入保持在约 12 V，电子负载选择 CC 恒流模式，按设定电流从被测输出取电。5 V 与 3.3 V 两路分别测试。

3.3 V 输出：0.2 A、0.5 A 与 0.8 A

首先连接 3.3 V 输出，依次设定 0.2 A、0.5 A 和 0.8 A 三个负载点。

输入电压	设定负载电流	实测负载电流	负载端电压	显示输出功率
11.99 V	0.200 A	0.199 A	3.317 V	0.66 W
11.99 V	0.500 A	0.498 A	3.288 V	1.63 W
11.99 V	0.800 A	0.799 A	3.253 V	2.59 W

3.3 V 输出的实际带载现场：输入电源显示 11.99 V、0.45 A，电子负载显示 3.253 V、0.799 A 和 2.59 W。

三个测试点的实际电流均接近设定值。负载从约 0.2 A 增加到约 0.5 A 时，负载端电压下降 29 mV；继续增加到约 0.8 A 时，再下降 35 mV。三个记录点呈现平缓的电压变化。

在本次最高测试电流 0.799 A 下，负载端电压为 3.253 V，相对标称 3.3 V 的偏差约为 −1.42%，电子负载显示输出功率为 2.59 W。

5 V 输出：0.8 A 带载

随后将电子负载接到 5 V 输出端，设定电流为 0.8 A，记录如下。

测试项目	实测读数
输入电压	11.99 V
输入电流	0.45 A
设定负载电流	0.800 A
实测负载电流	0.799 A
负载端电压	4.916 V
电子负载显示功率	3.92 W

在约 0.8 A 负载下，5 V 输出的负载端电压为 4.916 V，相对标称 5 V 的偏差约为 −1.68%。两路分别带约 0.8 A 负载时，测得的负载端电压相对各自标称值的偏差均在 2% 以内。

0.5 A 持续运行

在约 12 V 输入、3.3 V 输出负载设定为 0.5 A 的条件下，进行了 5 分钟持续带载测试。该负载点记录的实际电流为 0.498 A，负载端电压为 3.288 V。持续运行 5 分钟后，未感觉到明显发热。

输出纹波测试

使用示波器在 3.3 V 输出电容两端测量，实测输出纹波峰峰值约为 12 mVpp，约占标称输出电压的 0.36%。

峰峰值表示同一段波形中最高值与最低值之间的差。它描述固定工作状态下输出随时间的波动，与前面改变负载后记录的直流电压变化分别对应不同的供电特性。

结语

从输入到两路输出，这块板的工作过程可以连起来看：LM2596 通过开关传递能量，电感和电容平滑电流、电压，反馈电阻确定输出目标；AMS1117 再利用较小的压差得到约 3.3 V。PCB 则需要把这些连接落实成合适的功率路径、回流路径和取样路径。

本次从原理图、参数计算、PCB 制作走到了实物测量，得到以下结果：

• 在约 12 V、24 V、32 V 三个输入电压点，5 V 空载输出为 4.96～4.98 V，3.3 V 空载输出为 3.32～3.33 V。
• 3.3 V 输出完成了约 0.2 A、0.5 A、0.8 A 三个负载点的测试；约 0.8 A 时，负载端电压为 3.253 V。
• 5 V 输出在约 0.8 A 负载下，负载端电压为 4.916 V，显示输出功率为 3.92 W。
• 在 0.5 A 负载下持续运行 5 分钟，未感觉到明显发热。
• 3.3 V 输出实测纹波峰峰值约为 12 mVpp。

对我来说，这块板的价值在于把电源电路的工作原理、元件参数和实际输出联系了起来。后续设计主控扩展板时，这次的电路结构、布局思路和测量记录，都可以作为电源模块设计的参考。

参考资料

• TI：LM2596 数据手册
• TI：LM2596S-ADJ 评估板说明
• AMS1117 原厂数据手册镜像：应用说明