[原创] 【我与WEBENCH】基于LM2596芯片设计的12V -24V转5V/3A电源设计(实物对比测试)

  LM2596系列是美国德州仪器（原美国国家半导体）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。提供的有：3.3V、5V、12V及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。目前，在电路中应用比较广泛的是5V电源电路。在电路设计中，这个芯片由于其平民价格，深得我们的喜爱。与传统7805系列芯片相比，性能稳定；不但能提供高效率，电流输出也能满足较大功率需求。

基于LM2596-5芯片设计的M3控制板采用两层板设计，面积100mm*80mm,支持扩展子板辅助MCU，同时集成串口、CAN、网络，USB、SD卡存储，能够满足各种中低端控制项目的应用。

下面说一下该板卡的电源设计方案。该板卡采用三种供电方式: 方式一、采用mini USB 5V电压供电。方式二、采用USB转串口模块的USB 5V供电。方式三、采用外部电压输入，输入电压范围：12V-24V，标准情况下采用12V电压供电，经过LM2596芯片输出5V后，再为3颗AMS117芯片供电，其中一路AMS117专为MCU电路供电。

方案框图如下：

实际应用项目二：STC工控板电源设计方案  
基于LM2596-5芯片的STC工控板采用STC12C5A60S2为控制核心，带有光耦隔离的数字量输入和输出，带达林顿管驱动的继电器输出，带有两路232接口，一路485、RTC时钟、板载12864和1206液晶，可以满足低端控制设备的应用。此工控板采用12V-24V电压作为输入,标准供电电压12V,经过LM2596芯片输出5V后，为板子器件供电，由于设计工业控制及通信，在电路端增加了防反接及压敏电阻元件，对电源电路进行保护。

【TI  WEBENCH方案设计】
下面是利用TIWEBENCH工具生成LM2596芯片方案的过程：
  步骤一 开启设计
   首先点击工具图标左上角的【电源】及红色字体【开始设计】，如下图：

注：在开始设计的时候，一定要选择好参数：【直流】,输入电压：最小12V,最大24V;输出电压：5V, 输出电流：3.0A。
步骤二  选择LM2596芯片开启设计  
点击上面的开启设计后，系统会载入FLASH界面，并出现下面的使用界面：      
      

这个界面中还没有出现LM2596芯片，点击右边的下拉列表框，直到出现LM2596-5芯片，这里，系统共为我们推荐了88个方案，有些方案是面向高端应用或产品批量化应用，适合贴片大量生产，需要根据自己的需要来进行选择。找到LM2596-5芯片后的界面如下：
  

找到LM2596-5.0这个芯片后，点绿色按钮，出现下面的界面：

这个界面是生成的最后界面，里面有BOM表，图表，优化选项，热仿真，原理图和设计报告等。通过设计报告可以看出，当方案输入电压12V时，输出电流1.5A时，效率最高，可以实现84%的整体效率。

步骤三  生成设计报告及导出原理图
点击方案界面的【EXPORT】按钮，可以导出原理图，这里选择常用的AD格式，点击【Design Document】按钮，可以导出完整的设计报告。         
方案原理图截图：

   

【方案比较】    
  有了理论的设计报告后，和真实的设计进行对比一下                       
     原始方案和WEBENCH设计方案比较

参数	板卡实际设计方案	WEBENCH设计方案
设计时间	0.5-1个小时（画原理图）	10分钟
方案整体BOM成本	大约5元(不含散热片)      10元（带散热片）	约23.562元（3.74美元）
方案整体效率	约74.2%（12V输入，电流输出：300mA）	根据效率图，12V输入，0.3A输出  大约79.5%
方案整体面积	800mm2—1000mm2	1467mm2
BOM	11个元件	7个元件
电路保护	有	输入电压无保护

        通过图表数据的对比，可以发现，理论设计和实际设计还是有一些差距的。首先，在设计时间上，用WEBENCH完成这个原理图是自动生成的，不过几分钟时间。自己去画的话，考虑做原理图封装的时间，得半个小时以上，还是工具设计快速。在成本方面：TI给出的价格都是按照国际大厂的原装产品价格、其中LM2596 1.8美元，电感1.21美元。而我们实际设计时，采购方式五花八门，像LM2596可以从电子大楼很容易买到，2.5元一片，1个直插电感在1元左右，这样导致成本相差不少。当然，如果要用在野外恶劣环境，采购原装品的话，实际设计方案价格不会低于20元了。经过实际测试，效率与理论值相差不大，但低于理论值，可能是使用的元器件造成的。由于实际设计方案考虑了保护，为了防止电源在插入的过程中反接而导致电路损坏，在设计方案中，设计了保护二极管，可以支持正反插入。另外，更严格要求下，需要增加自恢复保险丝，压敏电阻器件，而WEBENCH工具设计的器件，仅包含基本电路，这些保护电路是没有的。
           总之，采用WEBENCH工具设计电源是还是非常方便的，有了这个工具，就省去了选型的麻烦，可以省出时间对电路进行优化设计。
【设计实物】
实际应用项目一：M3控制板电源设计方案
下面是实际方面的电路原理图截图：   
       

实际设计方案实物图：        
   

      

      

实际应用项目二：STC工控板电源设计方案说明：
在保护端电路稍有改动，仅有一个二极管仿制正反接，反接电路不工作；增加一个压敏电阻保护。
      

【附件】     
      1、WEBENCH设计报告                    
                       
        2、基于LM2596 芯片设计的12V -24V转5V/3A电源设计