一、什么是降压型转换器？

降压型转换器，又称Buck转换器，是一种DC-DC变换器，其输出电压始终低于输入电压。它通过高速开关、储能电感和输出电容等元件，将输入直流电压有效转换为稳定的较低直流电压。

1.1 常见应用场景：

• 嵌入式系统电源管理（如STM32核心供电）

• 通信设备（如基站、路由器的多路供电）

• 消费电子（如手机充电器、笔记本电脑电源）

• 工业电源系统（如PLC、变频器等）

二、降压型转换器的工作原理详解

降压型转换器基于脉宽调制（PWM）控制原理，实现能量在电感中的传递和释放，从而达到稳压输出的目的。

2.1 基本电路结构

典型的Buck电路包含以下主要元件：

• 开关管（MOSFET 或晶体管）

• 二极管（或同步整流MOS）

• 电感（储能元件）

• 输出电容（滤波器）

• PWM控制器（驱动与调节占空比）

2.2 两种工作模式

连续导通模式（CCM）：

电感电流始终大于零，能量连续传输，效率较高。

非连续导通模式（DCM）：

电感电流在一个周期中降为零，适用于轻载或低输出功率场合。

2.3 工作过程分阶段

以CCM模式为例：

• 开关闭合（TON）：输入电源给电感供能，电感电流线性上升，输出电容提供稳定电压；

• 开关断开（TOFF）：电感释放能量，通过续流二极管或同步MOS供电，电感电流线性下降。

通过调整PWM的占空比（D），控制输出电压大小。

三、关键电气参数分析

3.1 输出电压公式

在理想条件下：

ini复制编辑Vout = D × Vin

其中：

• Vout：输出电压

• D：PWM占空比（0 < D < 1）

• Vin：输入电压

3.2 占空比D的控制

当负载或输入电压变化时，控制器会自动调节D来保持Vout恒定。

3.3 开关频率（f）

• 高频（>1MHz）：可使用小型电感和电容，减小体积；

• 低频（几十kHz）：适合高功率应用，EMI较低；

3.4 效率（η）

通常在90%~98%之间，影响因素包括MOS导通电阻、电感电阻、开关损耗等。

四、降压型转换器的设计要点

4.1 开关器件选择

• 推荐使用低Rds(on)的MOSFET；

• 考虑耐压裕度，至少为Vin最大值的1.2倍；

• 提高驱动能力，降低开关损耗；

4.2 电感选型

电感值计算：

ini复制编辑L = (Vin - Vout) × D / (f × ΔIL)

• ΔIL：电感电流纹波（一般为负载电流的20~40%）

要求：

• 电感应选取大电流饱和值

• 电感DCR越低越好，降低铜损

4.3 输出电容选型

• 电容值决定输出电压纹波大小；

• 选用低ESR陶瓷电容可降低纹波；

电容值参考计算：

ini复制编辑Cout = ΔIL / (8 × f × ΔVout)

• ΔVout：输出电压允许纹波值（一般为1~2% Vout）

4.4 补偿设计（环路稳定性）

• 使用Type II 或 Type III 补偿网络保证系统稳定；

• 补偿参数需根据控制环路频率响应设计；

4.5 热管理

• 高功率设计中需使用散热片或PCB铜箔扩展；

• MOSFET、整流器和电感需重点考虑热功耗；

五、降压型转换器的常见问题与解决策略

5.1 输出纹波过大

原因：

• 电感值过小

• 输出电容ESR过大

• 开关频率偏低

解决：

• 增大电感或输出电容

• 使用低ESR多颗陶瓷电容并联

5.2 效率低

原因：

• MOS管损耗大

• 电感饱和

• 高频开关损耗

优化：

• 使用同步整流架构

• 提高开关频率但优化驱动电路

• 采用高效率电感和低Rds(on)开关管

5.3 EMI干扰大

原因：

• 高频开关信号干扰

• PCB布局不合理

优化：

• 加屏蔽壳、磁珠

• 优化回路面积，保持电感和输出电容距离合理

六、典型设计实例解析

设计目标：

• Vin = 12V，Vout = 5V，Iout = 2A，f = 500kHz

计算结果：

• 占空比 D = 5V / 12V ≈ 0.416

• ΔIL = 0.4A（设定20%额定电流）

• 电感 L ≈ (12V - 5V) × 0.416 / (500kHz × 0.4A) ≈ 14.56μH，选用15μH

• 输出电容 Cout ≈ 0.4 / (8 × 500kHz × 0.05V) ≈ 2μF，选用多个10μF陶瓷电容并联

七、Buck转换器的未来发展趋势

• 集成化 SoC：控制芯片与MOS、驱动、补偿网络一体化；

• 高频化：使用GaN、SiC等器件，提高工作频率与功率密度；

• 智能化：内置故障保护、软启动、数字调控等功能；

• 封装微型化：适用于IoT、智能可穿戴等终端产品；

八、总结

降压型转换器作为直流电源系统中的核心部件，凭借其高效率、小体积和适应性强的特点，在各类电子系统中发挥着不可替代的作用。掌握其原理与设计要点，是实现高性能电源设计的基础。通过优化开关频率、电感、电容和环路稳定性，可以显著提升系统的可靠性与效率。