開關電源如今在行業中的應用非常廣泛
，為多種終端應用提供高能效方案。它們常用於計算機

、電動工具、電視
、多媒體平板電腦、智能手機
、汽車及其它不計其數電子設備的電源及電池充電電路。

 

消費類電子行業應用最普及的轉換器之一是DC-DC降壓(step-down
，亦稱buck)轉換器。

 

簡jian而er言yan之zhi
，同tong步bu降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi用yong於yu將jiang電dian壓ya從cong較jiao高gao的de電dian平ping降jiang至zhi較jiao低di的de電dian平ping。隨sui著zhe業ye界jie轉zhuan向xiang更geng高gao性xing能neng的de平ping台tai，電dian源yuan轉zhuan換huan器qi的de能neng效xiao成cheng為wei設she計ji的de一yi項xiang關guan鍵jian考kao慮lv因yin素su。因yin此ci，重zhong要yao的de是shi理li解jie同tong步bu降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi的de基ji礎chu知zhi識shi
，以yi及ji怎zen樣yang恰qia當dang地di選xuan擇ze電dian路lu元yuan件jian。

 

 

同步降壓轉換器的概念簡單，它產生低於輸入電壓的穩壓電壓，可以提供大電流
，同時將功率損耗降至最低。

圖1：同步降壓轉換器電路圖。

 

同步降壓轉換器包含2顆功率MOSFET、1顆輸出電感及1顆輸出電容。此特定降壓拓撲結構的名稱來源於它的2顆功率MOSFET的控製方法

；導通/關斷(on/off)控製被同步，以提供經過穩壓的輸出電壓，並防止2顆MOSFET同時導通。

 

高邊MOSFET(Q1)直接連接至電路的輸入電壓。當Q1導通時，電流通過它提供給負載。在此期間
，低邊MOSFET(Q2)關斷，流過電感的電流增加，為電感電容(LC)濾波器充電。當Q1關斷時，Q2導通
，此時電流通過它提供給負載。在此期間，渡過電感的電流減小，使LC濾波器放電。當兩顆MOSFET都關斷時，低邊MOSFET提供額外功能，即通過本體二極管對開關節點電壓來鉗位，以防止高邊晶體管首先關斷時開關電壓(VSW)升至太高的負值。

 

開關節點電壓被LC輸出段弄得更平順，從而在輸出端產生穩壓直流電壓。兩顆MOSFET被同步控製以防止擊穿(shoot-through)，而當高邊及低邊MOSFET同時處於導通狀態時，產生直接對地短路，會發生擊穿現象。

 

高邊MOSFET導通時間決定了電路的占空比(duty cycle)。如果占空比等於1
，那麼高邊MOSFET在全部占空比均處於導通狀態，輸出電壓等於輸入電壓。占空比為0.1表示高邊MOSFET僅有10%時間導通，產生的輸出電壓約為輸入電壓的10%。

 

降壓轉換器功率損耗受多種因素影響
，包括功率MOSFET輸出段、控製器/驅動器
、反饋回路及轉換器本身的布線。大多數降壓轉換器設計的占空比小於0.5，而計算機及服務器市場的降壓轉換器標準占空比是0.1至0.2。

 

設(she)計(ji)平(ping)台(tai)正(zheng)轉(zhuan)向(xiang)更(geng)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，能(neng)夠(gou)減(jian)小(xiao)轉(zhuan)換(huan)器(qi)尺(chi)寸(cun)及(ji)外(wai)形(xing)因(yin)數(shu)。同(tong)時(shi)，轉(zhuan)換(huan)器(qi)必(bi)須(xu)提(ti)供(gong)更(geng)高(gao)性(xing)能(neng)及(ji)更(geng)高(gao)能(neng)效(xiao)。輸(shu)出(chu)段(duan)性(xing)能(neng)大(da)幅(fu)影(ying)響(xiang)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)。因(yin)此(ci)，重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)優(you)化(hua)電(dian)感(gan)及(ji)電(dian)容(rong)選(xuan)擇(ze)。

 

 

同步降壓轉換器的輸出段由電感及電容組成。它儲存及為負載提供能量
，使開關節點電壓變得平順以產生恒定輸出電壓。

 

電dian感gan選xuan擇ze直zhi接jie影ying響xiang電dian感gan電dian流liu中zhong的de電dian流liu紋wen波bo的de量liang，以yi及ji降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi本ben身shen的de電dian流liu能neng力li。不bu同tong製zhi造zao商shang製zhi造zao的de電dian感gan在zai材cai料liao及ji電dian感gan值zhi方fang麵mian會hui有you差cha異yi
，公gong差cha通tong常chang為wei± 20%。電感包含固有的直流阻抗(即DCR)
，會影響輸出段的性能。將DCR降至最低
，即提升轉換器的整體性能。對於要求大負載電流的應用而言
，建議選擇帶低DCR的電感。電感值較低的電感DCR也較低，但在電感與紋波電流之間有折衷
；電感越低，流過電感的紋波電流越大。必須達到最低電感，以符合特定應用電路的紋波電流要求。

 

輸出電容直接影響轉換器輸出電壓
、輸(shu)出(chu)反(fan)饋(kui)回(hui)路(lu)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)，以(yi)及(ji)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)時(shi)出(chu)現(xian)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)的(de)量(liang)。直(zhi)流(liu)輸(shu)出(chu)端(duan)存(cun)在(zai)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)

，因(yin)為(wei)流(liu)過(guo)電(dian)感(gan)及(ji)電(dian)容(rong)的(de)電(dian)流(liu)上(shang)升(sheng)及(ji)下(xia)降(jiang)。增(zeng)加(jia)電(dian)容(rong)會(hui)減(jian)小(xiao)存(cun)在(zai)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)的(de)量(liang)。然(ran)而(er)，在(zai)電(dian)容(rong)與(yu)輸(shu)出(chu)回(hui)應(ying)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)折(zhe)衷(zhong)。增(zeng)加(jia)電(dian)容(rong)減(jian)小(xiao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)及(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)，但(dan)延(yan)長(chang)了(le)使(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)回(hui)路(lu)回(hui)應(ying)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)。因(yin)此(ci)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)最(zui)小(xiao)電(dian)容(rong)，以(yi)符(fu)合(he)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)及(ji)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)要(yao)求(qiu)
，同(tong)時(shi)維(wei)持(chi)足(zu)以(yi)快(kuai)速(su)回(hui)應(ying)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)的(de)反(fan)饋(kui)回(hui)路(lu)。

 

電容也包含寄生串行電阻，也就是等效串行電阻(ESR)。ESR影響輸出電壓紋波及轉換器整體能效。因此
，設計人員正轉向低ESR設計。表麵貼裝陶瓷電容在要求高性能、小外形因子的係統中正變得盛行。使用並行的多顆電容使設計人員能夠提供係統要求的電容
，同時大幅減小等效的ESR。

 

 

設(she)計(ji)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)輸(shu)出(chu)段(duan)時(shi)，建(jian)議(yi)從(cong)電(dian)感(gan)開(kai)始(shi)。最(zui)小(xiao)電(dian)感(gan)根(gen)據(ju)目(mu)標(biao)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)及(ji)其(qi)它(ta)應(ying)用(yong)電(dian)路(lu)規(gui)範(fan)來(lai)計(ji)算(suan)。一(yi)旦(dan)選(xuan)擇(ze)好(hao)了(le)電(dian)感(gan)
，就(jiu)可(ke)以(yi)確(que)定(ding)最(zui)小(xiao)電(dian)容(rong)。

 

在電感與紋波電流之間存在折衷。目標紋波電流越少，就相當於最小電感越大。為了最佳化輸出濾波器性能
，建議設定20%至40%的目標電感紋波電流。

 

需要計算最大ESR及最小電容，從而在高邊MOSFET關斷時維持穩壓轉出電壓，以及將輸出電壓上存在的紋波的量降至最低。輸出電壓紋波可以表達為峰值-峰值電壓，或者以電容電壓比(CVR)的形式來表述。

 

輸出電容值及ESR越大，輸出回應負載變化所需經曆的時間就越長。ESR也影響輸出電壓紋波。

 

當高邊MOSFET導通時，流過電感及電容的電流增加，輸出電壓也增加。當高邊MOSFET關guan斷duan時shi，流liu過guo電dian感gan及ji電dian容rong的de電dian流liu下xia降jiang，輸shu出chu電dian壓ya也ye下xia降jiang。為wei了le提ti供gong恒heng定ding輸shu出chu電dian壓ya，轉zhuan出chu電dian流liu增zeng加jia的de量liang必bi須xu等deng於yu電dian容rong電dian流liu減jian小xiao的de量liang。因yin此ci，流liu過guo電dian容rong的de穩wen態tai電dian流liu為wei0 A。

 

除chu了le顧gu及ji輸shu出chu紋wen波bo電dian壓ya及ji電dian感gan紋wen波bo電dian壓ya對dui輸shu出chu電dian容rong的de影ying響xiang，也ye必bi須xu顧gu及ji輸shu出chu段duan的de瞬shun時shi負fu載zai回hui應ying能neng力li。同tong步bu降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi必bi須xu能neng夠gou回hui應ying負fu載zai電dian流liu變bian化hua，同tong時shi維wei持chi穩wen壓ya輸shu出chu電dian壓ya。當dang負fu載zai電dian流liu從cong較jiao高gao值zhi變bian為wei較jiao低di值zhi時shi

，輸shu出chu電dian壓ya將jiang暫zan時shi增zeng加jia，直zhi到dao轉zhuan換huan器qi能neng夠gou調tiao節jie占zhan空kong比bi
，以yi使shi輸shu出chu電dian壓ya返fan回hui至zhi它ta的de穩wen壓ya值zhi。此ci暫zan時shi輸shu出chu電dian壓ya增zeng加jia稱cheng作zuo輸shu出chu電dian壓ya過guo衝chong。當dang負fu載zai從cong最zui大da負fu載zai過guo渡du到dao空kong載zai時shi，就jiu出chu現xian最zui壞huai情qing況kuang過guo衝chong。輸shu出chu電dian容rong必bi須xu能neng夠gou處chu理li此ci瞬shun時shi條tiao件jian。輸shu出chu電dian壓ya瞬shun時shi回hui應ying與yu輸shu出chu電dian壓ya紋wen波bo之zhi間jian存cun在zai折zhe衷zhong。此ci兩liang項xiang因yin素su必bi須xu平ping衡heng取qu舍she以yi滿man足zu特te定ding應ying用yong需xu求qiu。

 

選擇電容時一個好的經驗法則是選擇值比計算的最小電容高最少20%的輸出電容，從而顧及到電壓公差。

 

降壓轉換器輸出濾波器設計影響輸出電流紋波

、輸出電壓紋波、shuchudianyaguochongyijifankuihuiludeshunshihuiying。yuanjianxuanzeyeyingxiangzhuanhuanqidenengxiao。yingxiangtongbujiangyazhuanhuanqinengxiaodezuidayinsushishuchudianganxuanze。dianganzhijiDCR都會大幅影響性能。

 

 

同步降壓轉換器的輸出段在轉換器性能方麵發揮重要作用。為了達到目標紋波電流、輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)及(ji)輸(shu)出(chu)過(guo)衝(chong)
，必(bi)須(xu)選(xuan)擇(ze)超(chao)過(guo)最(zui)小(xiao)電(dian)感(gan)值(zhi)和(he)最(zui)小(xiao)電(dian)容(rong)值(zhi)的(de)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)容(rong)。當(dang)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)選(xuan)擇(ze)電(dian)感(gan)及(ji)電(dian)容(rong)時(shi)
，還(hai)必(bi)須(xu)顧(gu)及(ji)其(qi)它(ta)因(yin)素(su)。輸(shu)出(chu)段(duan)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)針(zhen)對(dui)它(ta)將(jiang)工(gong)作(zuo)的(de)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)標(biao)準(zhun)來(lai)設(she)計(ji)而(er)最(zui)佳(jia)化(hua)。

 

電dian感gan值zhi在zai輸shu出chu紋wen波bo電dian流liu以yi及ji轉zhuan換huan器qi的de能neng效xiao性xing能neng方fang麵mian發fa揮hui重zhong要yao作zuo用yong。此ci外wai，輸shu出chu電dian容rong較jiao高gao時shi，輸shu出chu電dian壓ya紋wen波bo也ye會hui改gai善shan。轉zhuan換huan器qi的de能neng效xiao受shou使shi用yong的de電dian感gan的deDCR大幅影響。

 

電(dian)感(gan)與(yu)電(dian)感(gan)飽(bao)和(he)電(dian)流(liu)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)折(zhe)衷(zhong)。因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)符(fu)合(he)或(huo)超(chao)越(yue)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)要(yao)求(qiu)
，電(dian)感(gan)必(bi)須(xu)大(da)於(yu)計(ji)算(suan)的(de)最(zui)小(xiao)電(dian)感(gan)值(zhi)，而(er)電(dian)感(gan)飽(bao)和(he)電(dian)流(liu)必(bi)須(xu)大(da)於(yu)最(zui)大(da)負(fu)載(zai)時(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)。

 

電dian容rong也ye在zai同tong步bu降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi性xing能neng方fang麵mian發fa揮hui重zhong要yao作zuo用yong。輸shu出chu電dian容rong直zhi接jie影ying響xiang電dian壓ya紋wen波bo的de量liang及ji輸shu出chu段duan的de電dian壓ya過guo衝chong。然ran而er，電dian容rong對dui轉zhuan換huan器qi的de能neng效xiao性xing能neng的de影ying響xiang極ji小xiao。