DC/DC基本原理6 (Buck Converter) : 什麼是降壓轉換器？ What is Buck Converter?

作者:Minepower 伏特羊

I. Buck Converter基本架構

降壓變換器(Buck Converter)，是一種降壓的直流/直流轉換器，其特點是輸出（負載）端的電壓低於輸入（電源）端，輸出電流大於輸入電流。

Buck Converter(非同步型)其架構如圖1所示，是由一個功率開關元件和一個續流二極體構成一個截波電路將輸入電壓變成一個矩形波，再通過一個低通 LC 濾波器濾除高頻開關漣波(ripple)和噪聲(noise)以後生成直流電壓供給負載使用的電路。

圖1.非同步降壓轉換器(Nonsynchronous Buck Converter)基本架構

這些元件在電源轉換和開關電源中發揮著重要的作用：

1. 功率開關元件（Power MOSFET）：這些元件用於開關電流，可以在MOSFET控制端施加電壓信號(PWM訊號)將電流通過或切斷，使輸出電壓達到穩定的狀態。在開關電源中，它們通常用來控制電源的開關狀態，實現能量的轉換。

2. 二極體： 二極體通常用於開關電源中的反向保護，它們確保電流只能在特定方向流動。假設電路中沒有二極體 ( Diode ) ，則當功率開關截止時，儲存在電感上的能量就沒有路徑可以回流，這將導致電感的正極和負極之間的電壓迅速上升，以致於會產生很大的電壓突波( Voltage spike )，這樣的高電壓突波可能損壞電路中的元件。

3. 電感器： 電感在開關電源中充當能量儲存器(防止電流瞬間變化)。當電源處於導通狀態時，電感儲存電能；當電源處於關閉狀態時，儲存的能量釋放出來，這有助於維持穩定的輸出電壓。

4. 電容器：電容器用於存儲電荷(防止電壓瞬間變化)。在開關電源中，它們可以用來平滑化電壓波動，提供穩定的電壓輸出。電容器的充放電特性有助於維持穩定的電源輸出。

其中電容器和電感器，雖然各自單獨具有濾波效果，但是通過將2個元件構成低通LC濾波器，就可獲得更大的濾波效果。

*電容器具有隔直流通交流，且交流頻率越高越容易通過的特性

*電感器具有隔交流通直流，且交流頻率越高越不易通過的特性

串聯連接的電感以隔斷高頻雜訊，用並聯連接的電容器來使高頻雜訊旁路的方式發揮作用。

II. Buck Converter 開關元件導通/截止狀態及輸入/輸出關係式推導

1. 導通階段： 

如圖2所示，當開關（S）導通，電流開始流動，從電源正極流向負極。導通時，二極體（D）為反向截止，流經電感（L）時，電感將電能轉換為磁能存儲，此時電感極性為左正右負，繼續流經電容（C）時，為電容進行充電，電流繼續流過負載回到電源負極；而電感電流會隨時間逐漸增大。

圖2. Buck Converter 導通階段(Ton)

推導導通時之電感電壓，可由式(1)~(3)以及圖3所表示。在導通階段，電感電流會由I1上升至I2，導通時間為D(Duty)*T(週期) ，電感上電壓為Vin-Vout，也會等於電感*電流變化量/時間變化量，因此可推得導通時電感電壓會相等於L*(I2-I1)/(D*T)。

圖3. Buck Converter 導通階段(Ton):Vg、VL、iL波型

2. 截止階段：

如圖4所示，當開關（S）截止，電源停止供應，此時電感極性反轉(左負右正)，釋放儲存的磁能，電感（L）成為電路中的電源，電流由電感正極流向負極，釋放電能供應至負載，再流經二極體（D）時，此時為正向導通；而電感電流會隨時間逐漸變小。

圖4. Buck Converter 截止階段(Toff)

推導截止時之電感電壓，可由式(4)~(6)以及圖5所表示。在截止階段，電感電流會由I2下降至I1，導通時間為(1-D)*T(週期) ，電感上電壓為-Vout，也會等於電感*電流變化量/時間變化量，因此可推得截止時電感電壓會相等於L*(I1-I2)/((1-D)*T)。

圖5. Buck Converter 截止階段(Toff):Vg、VL、iL波型

由上述推導式(3)、式(6)，我們可得導通時電感電壓、截止時電感電壓，經由移相整理後，我們可得式(7)，再將Vout整理至等式左側，最終我們可得式(8)，因此由推導結果我們可以知道，Buck Conver的輸入/輸出電壓關係，Vout = Vin * D，而其中D(duty)介於0~1之間，因此可推得此電路輸入/輸出關係式為降壓電路。

III. Buck Converter轉換電壓過程

如圖6所示，當功率開關導通時，開關通電，允許電流從輸入電源流向電感（或電容），此時電感、電容儲存能量；而功率開關截止時，二極體導通，此時電感放電繼續提供負載能量；通過電感和電容的協同作用，平滑輸出脈衝波形來產生輸出電壓，以提供負載電流。

DC/DC轉換器以恆定的比率(Duty)交替切換開關，這樣的操作周期不斷循環，以產生穩定的輸出電壓，我們由上述推導式(8)可得知 Vout = Vin * D，並由圖7舉例來說明，

Example 1: Vin=12V, D=0.5 (意及Ton/(Ton+Toff) = 50%)，代入式(8)可得到Vout=6V；

Example 2: Vin=12V, D=0.8 (意及Ton/(Ton+Toff) = 80%)，代入式(8)可得到Vout=9.6V。

參考文獻: 

https://www.nisshinbo-microdevices.co.jp/en/design-support/basic/05-dc-dc-converter.html