降壓轉換器與升壓轉換器的差異:轉換比、元件配置、電流、效率、用途比較

兩者都是以開關、電感、二極體(或第 2 個開關)、電容等相同元件構成的切換式 DC-DC 轉換器,但排列方式不同。降壓轉換器將開關放在輸入與電感之間,依導通時間的比例(工作週期 D)將輸入電壓切割後平均,理想上輸出 D 倍的較低電壓。升壓轉換器將電感放在輸入側,以開關將其接地使電感儲存能量後再釋放到輸出,理想上輸出 1/(1−D) 倍的較高電壓。

項目降壓(Buck)轉換器升壓(Boost)轉換器
輸出電壓範圍低於輸入(0 至輸入電壓)高於輸入(輸入電壓以上)
理想電壓轉換比(電流連續模式)Vout/Vin = DVout/Vin = 1/(1−D)
例(D = 0.5 時)由 12 V 轉為 6 V由 12 V 轉為 24 V
元件配置開關在輸入與電感之間,電感在輸出側。二極體位於開關與電感之間的節點與接地之間電感在輸入側,開關位於電感後方的節點與接地之間。二極體位於該節點與輸出之間
動作導通時經由電感將電流送往輸出,關斷時電感電流經由二極體持續流動導通時在電感中儲存能量,關斷時電感的電壓疊加在輸入上,將能量釋放到輸出
輸入電流斷續(只在開關導通期間流動)。輸入電容很重要連續(經由電感持續流動)
輸出電流連續(由電感持續流出)。輸出漣波小斷續(只在開關關斷期間送達)。輸出電容的漣波電流大
效率依條件約 80 至 95%依條件約 80 至 95%。升壓比大時會降低
控制控制迴路容易設計電流連續模式下有右半平面零點,難以提高控制迴路的頻寬
停止切換時輸入與輸出斷開輸入電壓會經由電感與二極體持續出現在輸出。要完全切斷需要另外的開關
主要用途由 12 V 或 5 V 產生 CPU 或 SoC 的核心電壓(1 V 左右)、由電池產生低電壓由鋰離子電池(約 3.0 至 4.2 V)產生 5 V、驅動串聯的 LED、交流電源的功率因數修正(PFC)

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

降壓(Buck)轉換器
想以大電流高效率地產生低於輸入的電壓時。CPU 或 SoC 的核心電源、由 12 V 或 5 V 產生各種電壓。
升壓(Boost)轉換器
需要高於輸入的電壓時。由電池產生 5 V 的 USB 輸出、驅動串聯的 LED、以 PFC 產生高直流電壓時。
升降壓
電池電壓在使用過程中會跨越輸出電壓的上下時,使用兼具兩種功能的升降壓(Buck-Boost)轉換器。

常見問題

轉換比 D 與 1/(1−D) 如何求得?

穩定運作時,施加在電感上的電壓在 1 個週期內的平均值為零(電壓與時間的乘積平衡),由此求得。降壓時,導通期間施加 (Vin − Vout),關斷期間施加 −Vout,因此由 (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) 得到 Vout = D × Vin。升壓時,由 Vin × D = (Vout − Vin) × (1 − D) 得到 Vout = Vin/(1 − D)。

為什麼升壓轉換器能輸出比輸入更高的電壓?

開關導通期間,讓電流流過電感以儲存能量。開關關斷時,電感會試圖讓電流持續流動而產生電壓,這個電壓疊加在輸入電壓上,經由二極體流向輸出,因此輸出高於輸入。

讓 D 接近 1,升壓比就能無限增大嗎?

理想上 1/(1−D) 會無限增大,但實際上電感與開關的電阻所造成的損失會增加,輸出電壓會達到上限,效率也會下降。實用的升壓比約在數倍以內,需要更高的比例時,會選擇使用變壓器的方式等。

什麼是同步整流?

以 MOSFET 取代二極體,在二極體導通電流的時機將其導通的方式。可減少二極體順向電壓(即使是蕭特基二極體也約有 0.3 至 0.5 V)所造成的損失,因此輸出電壓越低,效率提升越明顯。

理解度檢測

在理想的降壓截波器(Buck轉換器)中,輸入電壓12 V、開關的工作週期(duty)為0.25時,輸出電壓為多少?

  1. A3 V
  2. B9 V
  3. C48 V
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正確答案:A. 3 V

理想降壓截波器的輸出電壓為「輸入電壓 × 工作週期」,即 12 V × 0.25 = 3 V。藉由改變開關導通時間的比例來調整輸出,並以電感與電容平均化成平滑的直流。以MOSFET取代二極體的同步整流,可使效率超過90%。CPU與記憶體的低電源電壓,就是由主機板上的多相降壓截波器產生的。

輸出比輸入更高之直流電壓的DC-DC轉換器為下列何者?

  1. A升壓截波器(Boost轉換器)
  2. B降壓截波器(Buck轉換器)
  3. C橋式整流電路
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正確答案:A. 升壓截波器(Boost轉換器)

升壓截波器在開關導通期間將能量儲存在電感中,截止時把電感的電壓疊加到輸入電壓上輸出。理想情況下,輸出電壓為 輸入電壓 ÷ (1 − 工作週期),工作週期為0.5時為2倍。它用於以1顆乾電池點亮LED的電路、太陽能電池電壓的升壓、油電混合車馬達驅動電壓的升壓、PFC電路等。

提高電力轉換器的切換頻率之主要優點為下列何者?

  1. A切換損耗一定會減少
  2. B電感與電容等被動元件可以小型化
  3. C電磁雜訊一定會減少
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正確答案:B. 電感與電容等被動元件可以小型化

提高切換頻率後,每個週期內電感與電容必須儲存的能量變小,元件得以小型化,電源也能小型、輕量化。例如變壓器的尺寸幾乎與頻率成反比而縮小。另一方面,切換損耗與雜訊會隨頻率增加,因此即使高速仍損耗小的SiC與GaN,使高頻化成為可能。

  1. 與線性穩壓器(LDO等)相比,下列哪一項是切換式穩壓器的正確特徵?
  2. 與繼電器線圈等電感性負載並聯的二極體(飛輪二極體)的目的,下列何者正確?

前往功率半導體的練習題

相關名詞的解說

DC-DC 轉換器
將直流電壓轉換為另一種大小的直流電壓的電路。使用開關、電感與電容,有降低至低於輸入電壓的降壓型,以及升高電壓的升壓型。
責任週期(Duty cycle)
在週期性脈衝訊號中,一個週期內輸出為 High 的時間所占的比例。在 PWM 中決定平均電力。
蕭特基位障二極體
利用金屬與半導體的接面(蕭特基接面)的二極體。順向電壓低,且沒有少數載子的累積,因此能高速切換。
PMIC(電源管理 IC)
電源管理 IC。由電池等產生多種電壓,並管理電源開啟順序與電壓切換的元件。

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