LM2596 是一款常用的 DC-DC 降壓調節器（Buck Converter），廣泛應用于電源管理、穩壓器設計和多種電子設備中。它能夠將較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電壓，并且在轉換過程中能夠保持較高的效率。LM2596 內置了電感器，然而它對外部電感器的選擇仍有一定要求。電感器是降壓轉換器中不可或缺的一個重要組件，對于系統的穩定性、效率以及輸出波形的質量都有重要影響。

1. LM2596 降壓調節器概述

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制（PWM）控制。它采用了內部功率 MOSFET 和內部電感，能夠實現高效的電壓轉換，且具有較低的熱損耗。LM2596 支持輸入電壓范圍從 4V 到 40V，適用于很多應用場景，尤其是那些需要降低高電壓至較低電壓的場合。

LM2596 的典型應用場合包括：

• 電池供電設備的電壓調節

• 3D 打印機電源

• Arduino 或其他單片機開發板電源供電

• LED 驅動電源

• 充電系統等

2. 電感器在 LM2596 中的作用

在任何 DC-DC 降壓轉換器中，電感器都起著至關重要的作用。它與開關元件（通常是 MOSFET）和二極管一起，構成了能量存儲和轉換的核心電路部分。LM2596 降壓調節器雖然內部集成了電感器，但在設計時，選用合適的外部電感器對優化其性能至關重要。

2.1 電感器的作用

電感器在降壓轉換器中主要承擔以下幾個功能：

• 能量存儲：電感器通過在開關周期內吸收和釋放能量，調節電流的變化。它儲存的能量能夠平滑輸出電壓，降低電壓波動。

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

• 控制輸出電流：電感器與負載一起決定了電流的傳輸和轉換，它直接影響到系統的效率和輸出電流的平穩性。

2.2 電感器的選擇

雖然 LM2596 內置了電感器，但實際應用中，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，需要考慮以下幾個參數：

• 電感值（L）：LM2596 降壓轉換器的工作頻率通常為 150kHz（標準模式），因此選用的電感器需要提供合適的電感值，以確保在轉換過程中能儲存足夠的能量。一般來說，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。對于 LM2596，外部電感器的額定電流需要大于最大負載電流。

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

• 尺寸和類型：在選擇電感時，還需要根據電源的大小、使用場合和預算選擇適當的尺寸和類型。常見的電感器類型包括 SMD（表面貼裝型）和通孔型。

2.3 電感器與輸入輸出電壓關系

在實際設計中，電感的選擇會直接影響到 LM2596 降壓轉換器的工作性能。具體來說：

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

• 輸出電壓和負載電流：輸出電壓和負載電流也是選擇電感器時需要考慮的重要因素。較大的負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節。

3. LM2596 降壓轉換器的工作原理

LM2596 降壓轉換器的核心工作原理是基于開關模式電源（SMPS）技術，其通過周期性的開關操作來調節輸出電壓。

3.1 PWM 控制

LM2596 采用了脈寬調制（PWM）技術來控制開關元件的導通時間。在一個周期內，LM2596 會快速地打開和關閉其內部 MOSFET，控制通過電感器的電流大小。通過調整 MOSFET 的開關頻率和占空比，LM2596 可以實現輸出電壓的精確控制。

3.2 電感器的能量傳遞

當 MOSFET 導通時，輸入電壓會使電感器產生磁場，儲存能量。MOSFET 關閉時，電感器會釋放儲存的能量通過二極管輸送到負載。電感器在這個過程中起到了平滑電流的作用，減少了電流波動，并有效地將輸入電壓轉換為穩定的輸出電壓。

3.3 輸出電壓的控制

LM2596 內部有一個反饋環路，它通過監測輸出電壓與參考電壓的差異來調整 PWM 信號的占空比，從而精確控制輸出電壓。反饋控制系統能夠動態地調整開關頻率，以應對負載變化，保持輸出電壓的穩定性。

4. LM2596 應用中的電感器優化

盡管 LM2596 自帶電感器，但實際應用中，選用外部電感器時可以進一步優化系統的性能。以下是一些優化設計的要點：

4.1 提高轉換效率

選擇低 DCR 電感器能夠減少電感器的損耗，從而提高 LM2596 轉換器的整體效率。效率的提高意味著系統能夠更少地產生熱量，延長使用壽命。

4.2 降低輸出電壓波紋

輸出電壓的波紋通常由開關轉換器的開關頻率和電感器的濾波性能決定。選用適當的電感器能夠降低電壓波紋，使得輸出電壓更加穩定，尤其是在對精度要求較高的應用中非常重要。

4.3 控制電磁干擾（EMI）

在高頻開關過程中，電感器會產生電磁干擾。通過選擇低 EMI 電感器，可以有效地抑制噪聲，減少對其他電路的干擾。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 提高負載響應速度

負載突變時，系統需要能夠快速響應并調整輸出電壓。電感器的選擇對系統的動態響應速度有較大影響。合適的電感值可以使得系統在負載變化時迅速穩定輸出電壓。

5. 常見 LM2596 電感器選擇示例

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

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

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

6. 總結

電感器在 LM2596 降壓調節器中的作用不可忽視，它直接影響到系統的效率、穩定性和響應速度。在設計中，正確選擇電感器對優化整個電源系統的性能至關重要。盡管 LM2596 內置了電感器，但在實際應用中選擇外部電感器時，仍需根據輸入電壓、輸出電壓、負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，以獲得最佳的性能和效率。