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什麼是降壓轉換器

以開關、二極體（或第2個開關）、電感與電容，產生低於輸入之直流電壓的DC-DC轉換器。以開關導通時間的比例（責任週期）D調整輸出，在連續導通模式下，理想的輸出電壓為 D × 輸入電壓。它是用途最廣的非隔離型轉換器，用於CPU或SoC核心的電源，以及由12 V或5 V產生各種電壓等。

日文名稱: 降圧チョッパ(バックコンバータ)

「降壓轉換器」出現在2領域的10道練習題中（電力電子電路, 功率半導體等）。

這個名詞所屬的領域: 電力電子電路

動作與轉換比

開關導通期間，電感上加有 (Vin − Vout)，電流增加；關斷期間則經由二極體（飛輪二極體）加上 −Vout，電流減少。穩態時這兩段電壓與時間的乘積會平衡，因此由 (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) 得到 Vout = D × Vin。例如由12 V以D = 0.25可得到3 V。

電感與電容的選擇

電感電流的漣波為 ΔI = (Vin − Vout) × D/(L × f)，選擇L使其約為輸出電流的20～40%是一個參考標準。輸出電流小於 ΔI/2 時，電流會降到0，進入不連續導通模式。輸出電壓的漣波在理想電容時為 ΔI/(8fC)，實際上還要再加上ESR造成的 ΔI × ESR。

損耗與高效率化

主要的損耗為開關與二極體的導通損耗、切換損耗，以及電感繞組與鐵心的損耗。輸出電壓低時，二極體順向電壓所占的比例大，因此以MOSFET取代二極體的同步整流已成為標準做法。像由12 V降到1 V這樣轉換比大時，責任週期只有約8%，在1 MHz下導通時間只有約83 ns，控制與元件的速度會成為課題。

練習降壓轉換器的題目

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。

在降壓截波器（Buck轉換器）中，關於開關關斷期間電感電流流經的路徑，正確的是下列何者？

  1. A從輸入電源經過開關，持續流向電感
  2. B經由二極體續流，從電感持續流向輸出
  3. C電感電流在開關關斷的瞬間變為0，不流向任何地方
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正確答案：B. 經由二極體續流，從電感持續流向輸出

在降壓轉換器中，開關導通期間電流從輸入經過電感流向輸出，電感儲存能量。開關關斷時，電感想要使電流持續流動，因此二極體（續流二極體）導通，電流從接地經過二極體與電感流向輸出。因此輸出側的電流不會中斷，能使輸出的漣波變小。以MOSFET取代這個二極體，就是同步整流。

常見問題

為什麼降壓轉換器的輸出電壓不會高於輸入電壓？

責任週期D介於0到1之間，因此理想的輸出電壓 D × Vin 不會超過輸入電壓。輸出可以看成是把輸入切碎後之電壓的平均值。需要比輸入更高的電壓時，要使用升壓轉換器或升降壓轉換器。

即使責任週期相同，為什麼負載輕時輸出電壓會上升？

以二極體續流的降壓轉換器，在負載變輕時會進入不連續導通模式。電感電流為0的期間，開關節點的電壓等於輸出電壓，使其平均值上升，輸出電壓因而高於 D × Vin。實際的電源會以回授控制降低責任週期，使輸出保持一定。

解析中的「降壓轉換器」

出現「降壓轉換器」的題目（10題）

  1. 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？
  2. 在降壓截波器（Buck轉換器）中，關於開關關斷期間電感電流流經的路徑，正確的是下列何者？
  3. 推導降壓轉換器理想的輸出電壓 Vout = D × Vin 時，其根據正確的是下列何者？
  4. 在理想的降壓轉換器中，輸入電壓12 V、輸出電壓3 V、電感15 µH、切換頻率300 kHz時，連續導通模式下電感電流的漣波（峰對峰）為下列何者？
  5. 在輸入電壓12 V、輸出電壓3 V、電感15 µH、切換頻率300 kHz的理想降壓轉換器（以二極體續流）中，逐漸減少負載電流。能維持連續導通模式的最小輸出電流（與不連續導通模式的邊界）為下列何者？
  6. 假設電感電流漣波（峰對峰0.6 A）的交流成分全部流入降壓轉換器的輸出電容。切換頻率300 kHz、輸出電容25 µF（忽略ESR）時，輸出電壓的漣波（峰對峰）為下列何者？
  7. 在同步整流的降壓轉換器中，上下MOSFET都關斷的死區時間內，電感電流流經的路徑正確的是下列何者？
  8. 在理想的升壓截波器（Boost轉換器）中，輸入電壓5 V、開關的責任週期為0.6時，連續導通模式下的輸出電壓為下列何者？
  9. 關於DC-DC轉換器的連續導通模式（CCM），正確的說明是下列何者？
  10. 在順向式轉換器中，需要變壓器的重置繞組（或箝位電路）的理由，正確的是下列何者？

出現這個名詞的比較

半導體、電子電路與資訊計算工具

DC-DC 轉換器計算計算降壓、升壓、升降壓的責任週期、電感電流漣波與輸出電壓漣波

相關名詞

責任週期（Duty cycle） 同步整流 連續導通模式 升壓轉換器 升降壓轉換器 死區時間 本體二極體 逆向恢復時間 貫穿電流 蕭特基位障二極體

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