双路电源在模拟电路里是个绕不开的刚需。运放要±12V音频功放要±12V工控传感器调理板也经常要±12V。很多人的第一反应是去淘一个成品双路模块或者干脆用两个独立的单路电源串起来用。但如果你手头只有一堆LM2596模块或者想在一块板子上把正负两路都做出来那就得面对一个现实问题LM2596本质是个降压芯片它只会把输入电压往下拉不会产生负压。所以±12V双路电源的核心难点不在正路而在负路怎么来。我前后做过三版基于LM2596的±12V电源板第一版负压用变压器抽头方案体积大得离谱第二版用7660反相器带载能力弱到只能点个运放第三版才定下来用LM2596配合反相拓扑正路降压、负路反相两路都能跑到1A以上。这篇文章就把这套方案从拓扑选择、参数计算、元件选型到PCB布局的完整过程拆开讲顺带把踩过的坑和实测数据一并放出来。不管你是刚接触电源设计的新手还是想找个能直接抄的±12V方案下面这些内容应该都能用得上。1. 为什么LM2596做负压不能照搬正压电路1.1 LM2596的降压本质与负压需求的矛盾LM2596是德州仪器的一款经典降压型开关稳压器内部集成了150kHz固定频率振荡器、基准电压源、误差放大器和开关管。它的工作逻辑很简单输入电压加在VIN和GND之间芯片通过控制内部开关管的导通占空比把输入电压“斩波”成方波再经过电感和电容滤波输出一个低于输入的稳定电压。注意这里的关键词是“低于输入”——LM2596的拓扑决定了它只能做降压不能升压也不能直接产生负压。那负压是怎么来的很多人第一次看到“用LM2596做负压”会觉得矛盾一个只能降压的芯片怎么能输出比GND还低的电压答案在于参考点的转移。正压电路里我们以GND为参考输出电压高于GND负压电路里我们把芯片的“GND”引脚接到系统的负输出端把原来的正输出端当作系统的GND。这样芯片看到的“输入”仍然是正电压但它输出的“正电压”相对于系统GND来说就是负的。这个思路和Buck-Boost拓扑里的负压输出是一回事只是LM2596的数据手册里没有专门画负压应用的典型电路需要自己搭外围。1.2 反相拓扑的核心把GND引脚“浮”起来具体来说正压降压电路的连接是VIN接输入正GND接输入负系统GNDOUT通过电感输出正电压。反相拓扑则把连接方式改成VIN接输入正GND接负输出端也就是系统的-12VOUT通过电感接到系统GND。这样芯片内部的参考地就变成了-12V它输出的“正电压”相对于-12V是正的但相对于系统GND就是负的。听起来有点绕画个简单的对应关系就清楚了引脚正压降压接法反相负压接法VIN输入正输入正GND系统GND系统-12V输出OUT系统12V输出系统GNDFB接输出分压接输出分压参考GND引脚这个接法有一个必须注意的点LM2596的GND引脚在反相拓扑里不再是系统地而是负输出端。这意味着芯片的使能引脚、反馈引脚的分压网络都要以这个“浮地”为参考。反馈电阻的下端要接到GND引脚即-12V而不是系统GND。如果接错了输出电压会完全不对。1.3 输入电压与输出电压的约束关系反相拓扑还有一个硬约束输入电压必须大于输出电压的绝对值加上芯片的最小压差。对于±12V输出来说负路输出是-12V那么输入电压至少要大于12V加上LM2596的最小压差约1.5V到2V也就是至少14V。实际用24V输入是最稳妥的因为24V转-12V的占空比大约在50%左右芯片工作在最舒服的区间。如果用15V输入占空比会接近80%效率下降发热也会明显增加。正路这边24V转12V的占空比也是50%左右两路的工作条件基本对称。这也是为什么我推荐用24V作为±12V电源的输入电压——它让正负两路都工作在占空比50%附近开关损耗和导通损耗比较均衡。如果你手头只有12V输入那就别指望用LM2596做±12V了压差不够负路根本起不来。2. 正路降压与负路反相的元件参数怎么算2.1 正路12V电感、电容与反馈电阻的计算正路12V的设计和标准LM2596降压电路完全一样。输入24V输出12V开关频率150kHz。电感值的选择要保证在最大负载电流下电感电流不连续。LM2596数据手册给出的公式是L (Vin - Vout) × Vout / (Vin × f × ΔI)其中ΔI是电感纹波电流一般取最大负载电流的20%到40%。假设最大负载1A取ΔI为0.3A代入Vin24V、Vout12V、f150kHzL (24 - 12) × 12 / (24 × 150000 × 0.3) 144 / 1080000 ≈ 133μH实际选型取标准值150μH。电感的饱和电流要大于最大负载电流加上纹波电流的一半也就是1A 0.15A 1.15A留一倍余量选3A以上的电感比较稳妥。我常用的是150μH/3A的屏蔽电感体积不大EMI表现也比工字电感好很多。输出电容的选择主要看纹波要求。LM2596的纹波频率是150kHz输出电容的ESR对纹波影响很大。纹波电压大致等于ΔI乘以电容的ESR。如果要求纹波小于50mVΔI为0.3A那么ESR要小于0.167Ω。普通的铝电解电容ESR在0.1Ω到1Ω之间所以最好用低ESR的电解电容或者并联一个陶瓷电容。我一般用220μF/25V的低ESR电解电容并联一个10μF的陶瓷电容实测纹波在30mV左右。反馈电阻的计算公式是Vout Vref × (1 R2/R1)LM2596的Vref是1.23V。要输出12VR2/R1 (12/1.23) - 1 ≈ 8.76。取R11kΩR28.76kΩ实际用8.66kΩ的1%精度电阻输出约11.98V误差在可接受范围内。R1和R2都要用1%精度的金属膜电阻否则输出电压偏差会比较大。2.2 负路-12V反馈网络与电感的特殊处理负路的反馈网络和正路有一个关键区别反馈电阻的下端要接到LM2596的GND引脚也就是-12V输出端而不是系统GND。这一点如果搞错输出电压会完全失控。具体接法是R1接在OUT引脚和FB引脚之间R2接在FB引脚和GND引脚之间。由于GND引脚现在是-12V所以FB引脚上的电压相对于-12V是1.23V相对于系统GND就是-12V 1.23V -10.77V。这个电压经过电阻分压后芯片就能稳定输出-12V。负路的电感计算和正路类似但要注意电感电流的方向。在反相拓扑里电感电流是从OUT引脚流向系统GND的也就是说电感的一端接OUT另一端接系统GND。电感的饱和电流同样要大于最大负载电流加上纹波的一半。我用的也是150μH/3A的屏蔽电感和正路一样。负路的输出电容接在-12V和系统GND之间极性要注意电解电容的正极接系统GND负极接-12V。如果接反了电容会炸。这一点在画PCB的时候要特别小心我第一版就是因为电容极性画反了上电直接爆了一个电容。2.3 续流二极管的选择肖特基是必须的LM2596的正压电路里续流二极管接在OUT引脚和GND引脚之间作用是当芯片内部开关管关断时为电感电流提供续流回路。在反相拓扑里续流二极管的接法是一样的阳极接GND引脚-12V阴极接OUT引脚系统GND。当开关管关断时电感电流从系统GND经过二极管流向-12V维持电流连续。这个二极管必须用肖特基二极管不能用普通的整流二极管。原因是肖特基的正向压降只有0.3V到0.5V而普通硅二极管的正向压降是0.7V到1V。在1A的负载电流下普通二极管会多消耗0.5W左右的功率发热明显效率也会下降好几个百分点。我常用的是SS343A/40V或者SS545A/40V贴片封装体积小压降也低。注意耐压要大于输入电压加上输出电压的绝对值24V输入加12V输出耐压至少36V40V的肖特基刚好够用留一点余量更稳妥。3. 从原理图到PCB布局决定成败3.1 功率回路的面积要尽可能小开关电源的PCB布局里功率回路的面积是影响EMI和稳定性的第一因素。LM2596的功率回路包括输入电容、VIN引脚、GND引脚、OUT引脚、续流二极管和电感。这个回路里的电流是脉冲状的di/dt很大回路面积越大辐射的电磁干扰越强同时也会在寄生电感上产生电压尖峰影响芯片的可靠性。我的做法是把输入电容尽量靠近VIN和GND引脚续流二极管尽量靠近OUT和GND引脚电感紧挨着OUT引脚。整个功率回路的面积控制在1平方厘米以内。具体布局时输入电容的正极接VIN负极接GND走线要短而粗宽度至少1mm以上。续流二极管的阳极接GND阴极接OUT同样要短而粗。电感的一端接OUT另一端接输出电容和负载。反相拓扑里还有一个容易忽略的点GND引脚不再是系统地所以GND引脚的走线不能和系统地混在一起。GND引脚要单独走一条线到负输出端这条线上的电流是脉冲状的不能和反馈网络的地线共用。我一般把GND引脚的走线单独拉出来直接连到负输出电容的负极反馈电阻的下端也从这条线上取。3.2 反馈走线要远离电感和二极管反馈引脚是LM2596最敏感的引脚之一。FB引脚的电压只有1.23V任何微小的干扰都会导致输出电压波动。在PCB布局时反馈走线要尽量短尽量远离电感和续流二极管这些高di/dt的元件。如果反馈走线必须经过功率区域最好用地线包起来做屏蔽。我第二版板子就是因为反馈走线从电感下面穿过导致输出电压在负载变化时波动超过200mV。后来把反馈走线改到板子背面远离电感波动立刻降到50mV以内。这个教训说明反馈走线的布局比元件选型还重要。另外反馈电阻要尽量靠近FB引脚分压点不要拉太长的线否则容易引入噪声。3.3 接地策略单点接地还是分区接地双路电源的接地比单路复杂得多。正路的GND是系统地负路的GND是-12V两个地之间不能随便连。我的做法是正路和负路各自有独立的功率地然后在输出端单点连接到系统地。具体来说正路的输入电容负极、输出电容负极、反馈电阻下端都接到正路功率地负路的输入电容负极、输出电容正极、反馈电阻下端都接到负路功率地。两个功率地在输出端子处汇合形成系统的GND。这种接法的好处是正负两路的开关电流不会互相干扰。如果正负两路共用一条地线负路的脉冲电流会在正路的地线上产生压降导致正路输出纹波增大。我实测过共用地的方案正路纹波从30mV涨到80mV负路纹波从40mV涨到100mV。分开接地之后两路纹波都回到了正常水平。4. 实测数据与常见问题排查4.1 空载与满载下的电压稳定性板子焊好之后我做了几组实测。输入24V正路空载输出11.98V负路空载输出-11.95V两路偏差都在50mV以内。正路带1A负载时输出降到11.92V负路带1A负载时输出降到-11.88V负载调整率大约在0.5%左右对于LM2596来说这个表现算正常。效率方面正路24V转12V在1A负载下效率约82%负路24V转-12V在1A负载下效率约78%。负路效率略低是因为反相拓扑的续流回路里多了一个二极管压降而且GND引脚的走线电阻也会带来额外损耗。两路同时带1A负载时芯片表面温度在60度左右需要加一个小散热片。如果持续满载运行建议把输入电压降到20V左右或者加一个5V的小风扇主动散热。4.2 负路起不来或者输出不对的排查思路负路出问题是最常见的。如果你焊好板子上电发现负路没有输出或者输出只有-2V、-5V这种奇怪的值可以按下面的顺序排查第一步检查反馈电阻的接法。R2的下端必须接LM2596的GND引脚也就是-12V输出端不能接系统GND。如果接错了芯片会把系统GND当成参考输出完全不对。第二步检查续流二极管的方向。阳极接GND引脚阴极接OUT引脚如果接反了负路根本起不来而且芯片会发热严重。第三步检查输出电容的极性。电解电容的正极接系统GND负极接-12V接反了电容会爆而且负路输出会不稳定。第四步检查输入电压是否足够。如果输入只有12V负路输出最多到-10V左右而且带载能力很差。输入电压至少要14V以上推荐24V。4.3 纹波偏大的几个原因纹波偏大通常有四个原因输出电容ESR太高、电感值偏小、反馈走线受干扰、接地不合理。我遇到过的情况是输出电容用了普通的铝电解电容ESR在0.5Ω左右纹波直接到了150mV。换成低ESR电容并联陶瓷电容之后纹波降到30mV。另一个情况是电感用了工字电感没有屏蔽纹波里能看到明显的高频尖峰换成屏蔽电感之后尖峰消失了。反馈走线受干扰的表现是纹波里混有开关频率的谐波而且负载变化时纹波幅度会跳变。解决办法是把反馈走线改短远离电感必要时用地线包起来。接地不合理表现为两路纹波互相影响一路带载时另一路纹波增大解决办法是正负两路分开接地在输出端单点汇合。5. 几个容易忽略的细节与个人经验5.1 输入电容的容量不能省很多人做LM2596电路时输入电容只放一个100μF的电解电容觉得差不多够了。但在24V输入、1A负载的条件下输入电容上的纹波电流很大容量不够会导致输入电压波动进而影响两路输出的稳定性。我的做法是输入电容用470μF/35V的低ESR电解电容再并联一个10μF的陶瓷电容。这样输入电压的波动可以控制在100mV以内两路输出都更稳。另外输入电容要尽量靠近芯片的VIN和GND引脚走线要短。如果输入电容离芯片太远走线电感会和电容形成LC谐振在输入电压上产生高频振铃严重时可能损坏芯片。5.2 使能引脚的处理LM2596有一个ON/OFF引脚低电平时芯片关断高电平时芯片工作。在正压电路里这个引脚可以直接接VIN或者悬空内部有上拉。但在反相拓扑里ON/OFF引脚的参考点是GND引脚也就是-12V。如果直接把ON/OFF引脚接VIN芯片会一直工作没问题。但如果想加使能控制要注意控制信号的参考点也是-12V不能直接用系统GND的控制信号否则芯片无法正常关断。我一般不做使能控制直接把ON/OFF引脚悬空让芯片一直工作。如果确实需要使能可以用一个光耦或者三极管做电平转换把系统GND的控制信号转换成以-12V为参考的信号。5.3 散热片的安装LM2596的TO-263封装也就是常说的D2PAK底部有一个散热焊盘这个焊盘要焊在PCB的铜箔上通过铜箔散热。如果负载电流在1A以上建议在芯片底部铺一块至少2平方厘米的铜箔并且打过孔到板子背面增加散热面积。如果持续满载运行最好加一个小散热片用导热胶粘在芯片表面。我实测过不加散热片的情况两路各带1A负载芯片表面温度在10分钟内升到85度触发了芯片的过热保护输出开始跳动。加了散热片之后温度稳定在60度左右连续运行两个小时没有问题。5.4 电感的选择不要只看电感量电感的饱和电流和直流电阻同样重要。饱和电流不够大负载时电感会饱和电感量急剧下降纹波电流猛增芯片可能触发过流保护。直流电阻太大电感上的压降会增加效率下降发热也会增加。我选电感的时候饱和电流至少是最大负载电流的两倍直流电阻尽量小于0.1Ω。屏蔽电感比工字电感贵一点但EMI表现好很多尤其是在双路电源这种对干扰敏感的场景里多花几块钱是值得的。最后说一个我踩过的坑第一版板子为了省空间把正路和负路的电感放得很近结果两路之间的串扰很明显一路带载时另一路的纹波会增大30%左右。后来把两个电感拉开到2厘米以上串扰基本消失了。如果你也在做双路电源电感之间的距离尽量拉开或者让两个电感的轴线互相垂直减少磁耦合。