2026 Make Blocks #5阶段1 - 基于LM2596的多路直流降压稳压电源模块设计

一、所选任务介绍

本项目选择2026 Make Blocks #5阶段1中的自定义命题任务，设计一款基于LM2596系列降压芯片的多路直流降压稳压电源模块。模块主要面向单片机、传感器、嵌入式控制板、小型电子设备以及实验平台等需要多种供电电压的应用场景。在实际电子系统中，不同器件往往需要不同的工作电压，例如部分控制器和外设需要5 V供电，而MCU、传感器及通信模块通常使用3.3 V供电，同时在调试过程中还可能需要一路可调直流电压。因此，本项目将多种电源转换功能集中设计在同一块PCB上，使一组直流输入能够同时获得固定5 V、固定3.3 V以及一路可调电压输出。

本设计以LM2596 Buck降压电路为主体，并增加3.3 V线性稳压、电源开关、状态指示、多组输出接口等功能。与单一固定输出电源模块相比，本设计具有输出类型较多、接口丰富、应用灵活等特点，可作为后续单片机、传感器和其他电子模块开发中的基础供电模块。

二、设计方案介绍

系统采用“两路Buck降压+一路LDO稳压”的总体方案。外部直流电源可通过DC电源插座或接线端子输入，经总电源开关后形成VIN电源网络，随后进入不同的电源转换支路。

板上资源框图如下：

其中第一路采用LM2596S-ADJ构成可调Buck降压电路，通过反馈网络改变输出电压，可用于实验调试或不同电压负载供电。第二路采用LM2596S-5.0产生固定5 V电源。5 V电源除直接通过接口输出外，还作为BL1117-3.3线性稳压芯片的输入，进一步产生稳定的3.3 V电压。5 V和3.3 V电源均设置LED工作状态指示，便于上电后快速判断电源支路是否工作。

三、主要模块及芯片介绍

1. LM2596S-ADJ可调降压模块

U1采用LM2596S-ADJ开关型降压稳压器。该芯片属于Buck型DC-DC转换器，通过内部开关器件配合外部电感、肖特基二极管和滤波电容完成电压转换。原理图中采用33 μH电感L1、SS54肖特基二极管D1以及220 μF、470 μF和100 nF等电容构成滤波和储能网络。

LM2596系列典型开关频率为150 kHz，芯片级最大输出电流能力为3 A。可调版本能够通过反馈端设置输出电压，因此适合作为实验平台中的可调电源。需要说明的是，3 A属于芯片规格，实际PCB能够长期输出的电流还受到输入输出压差、器件温升、PCB铜皮面积、接插件以及散热条件等因素影响，应通过实际负载测试确定。

DigiKey参考链接：
https://www.digikey.com/en/products/detail/texas-instruments/LM2596S-ADJ-NOPB/363705

2. LM2596S-5.0固定5 V降压模块

U5采用LM2596S-5.0实现固定5 V输出。与可调版本相比，该芯片内部已经按照5 V输出进行设计，不需要通过外部分压网络重新设定输出值，因此外围电路相对简单。设计中使用33 μH电感L2、SS54肖特基二极管D2、220 μF和470 μF电容组成Buck功率回路及输入输出滤波网络。

该支路产生的VCC5V既可以直接通过多个5 V接口给外部模块供电，也作为后级3.3 V稳压模块的输入，实现电源的级联转换。

DigiKey参考链接：
https://www.digikey.com/en/products/detail/texas-instruments/LM2596S-5-0-NOPB/334842

3. BL1117-3.3稳压模块

U2采用BL1117-3.3_JX，将前级产生的5 V电压进一步转换成3.3 V。该支路主要用于给MCU、传感器以及其他3.3 V数字电路提供电源。在芯片输入端和输出端分别配置22 μF以及0.1 μF滤波电容，用于改善电源稳定性并抑制高频干扰。

由于目前在DigiKey中未检索到与原理图中“BL1117-3.3_JX”完全一致的器件页面，因此以下链接仅提供同类SOT-223封装3.3 V LDO器件作为选型参考，并非本设计实际器件的完全同型号替代：

https://www.digikey.com/en/products/detail/umw/AMS1117-3-3/17635254

此外，板上还设计有LED1、LED2及510 Ω限流电阻，对5 V和3.3 V电源工作状态进行指示；输入端设置DC插座、接线端子以及机械电源开关，方便使用不同电源连接方式。

四、原理图及PCB设计介绍

原理图设计按照功能进行分区，主要包括输入电源模块、可调Buck模块、固定5 V Buck模块、3.3 V稳压模块、电源指示模块以及输出接口模块。

输入部分同时预留DC插座和接线端子，可以根据使用环境选择供电方式，并通过SW1控制整板电源。LM2596两路降压电路的输入输出端均设置较大容量电解电容，同时并联100 nF小容量电容，从而兼顾低频纹波滤波和高频噪声抑制。Buck开关节点附近配置33 μH功率电感和SS54肖特基二极管，构成完整的非同步Buck降压功率回路。5 V输出进一步连接BL1117-3.3，形成独立3.3 V供电支路。

图1 原理图设计图

PCB采用双面布局布线。整体外形采用上下较宽、中部略窄的结构，并在四个角设置安装孔，方便通过螺柱固定。PCB上端布置电源输入端子、电源开关和DC插座，使电源输入区域集中；两个LM2596功率芯片、功率电感以及主要滤波电容布置于PCB中上部；可调器件布置在中央区域；5 V、3.3 V及可调输出接口集中布置在PCB下端，使输入和输出区域区分较为清楚。

从PCB顶层可以看到，功率器件附近采用较宽的铜箔连接，并设置了较大的GND铜皮区域，有利于降低大电流路径阻抗及改善散热。底层大面积进行GND覆铜，同时通过过孔与顶层地网络连接，从而减小接地阻抗。3D效果图中能够直观看到两个TO-263封装LM2596、两个功率电感、输入滤波电容、电源开关、DC接口、接线端子及多组排针接口，整体器件布局与原理图功能分区基本一致。

图2 PCB顶层布线图

图3 PCB底层布线图

图4 PCB 3D效果图

五、模块主要性能指标及管脚定义

1. 主要性能指标

可调输出电压的实际可调范围应以PCB实际反馈网络、输入电压及负载测试结果为准；同样，输出纹波、转换效率、最大连续负载电流等指标应在实物焊接完成后使用示波器、电子负载和万用表进行测试，不宜仅根据芯片理论参数直接作为整板实测指标。

2. 外部接口定义

3. 主要芯片管脚

LM2596S系列主要管脚包括VIN输入端、OUTPUT/SW开关输出端、GND接地端、Feedback反馈端以及ON/OFF使能控制端。可调版本主要通过Feedback端检测输出电压并完成闭环稳压。BL1117-3.3采用三端结构，分别为GND、OUT和IN，对应地、3.3 V输出以及5 V输入。

六、心得体会及建议

通过本次多路直流电源模块的设计，我进一步理解了Buck降压电路从原理图到PCB实现的完整过程。最初关注较多的是芯片本身的输入、输出参数，但在实际绘制原理图和PCB时发现，一个能够稳定工作的电源模块不仅取决于稳压芯片，还与功率电感、肖特基二极管、输入输出电容、反馈网络以及PCB布局布线密切相关。特别是开关电源存在较大的脉冲电流，功率回路的走线长度、线宽、接地方式和滤波电容的位置都会影响最终输出稳定性。

PCB设计过程中，我对输入、功率转换和输出区域进行了功能分区，并尽量增大电源及GND铜皮面积，同时将多个输出接口集中布置，方便后期实际接线和测试。通过3D预览还能够提前检查接口方向、器件位置以及机械结构是否合理，这比单独观察二维PCB更加直观。

本次设计目前仍有进一步优化空间。例如后续可以增加输入反接保护、保险丝或自恢复保险丝、TVS浪涌保护等电路，提高异常供电情况下的可靠性；对于较大负载，还可以进一步优化LM2596附近的散热铜皮及过孔设计。在实物焊接完成后，还应对5 V、3.3 V和可调输出分别进行空载、不同负载条件下的输出电压、纹波、效率和温升测试，以获得真正属于本模块的性能指标，而不能只使用芯片数据手册中的理论参数。

总体而言，本项目完成了从电源需求分析、芯片选择、原理图设计到PCB布局布线及3D检查的完整设计过程，并实现了可调电压、5 V和3.3 V多路输出，为后续嵌入式系统和传感器实验提供了一块较为通用的直流电源模块。