一、降压转换器工作原理

降压转换器是一种电压输出低于电压输入的开关转换器，也被称为降压开关转换器。

降压转换器只有 4 个部分，主要是开关（Q1）、二极管（D1）、电感（L1）和电容滤波器（C1）。

输入电压Vin必须高于输出电压 Vout 才能成为降压转换器。

降压转换电路

降压转换器用作电压调节器，同时利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半导体部件的开关动作。Q1 会不断开关，D1 充当续流二极管，L1 将充电和放电，而 C1 将存储能量。

降压稳压器是一种低损耗稳压器，如果设计得当，效率可达 90% 以上。

降压转换电路工作原理

二、降压转换器设计

降压转换器通过连续打开和关闭 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半导体开关来工作。开关的开启和关闭由占空比决定。降压转换器的理想占空比很简单：

占空比 = VOUT / VIN

1、降压转换器基本功能– PWM 为高电平

当 PWM 处于高电平状态时，Q1 将在饱和状态下导通（电压降非常低）。D1 将被反向偏置并且不参与电流环路。电流将从 VIN 流向 Q1 的通道，然后为 L1 充电，一部分为 C1 充电，最后主电流路径将流向负载。

降压转换器

此时，L1 将充电，点侧将处于较高的电位，L1 的电流将线性上升。

2、降压转换器基本操作– PWM 为低电平

当 PWM 为低电平时，Q1 将关闭，不再是电流环路的一部分。电感 L1 的点侧将变为负电位，因为 L1 将反转极性但保持相同的电流方向。电流路径将从 D1 到此时正在放电的 L1，然后到负载。此时，C1 能量也将有助于提供负载的需要。

降压转换器

三、降压转换电路设计教程-各元器件取值

• 1、电感纹波电流

• 2、占空比

• 3、电感 RMS 电流

• 4、电感直流电流推导

• 5、开关 RMS 电流导数

• 6、开关直流电流导数

• 7、二极管 RMS 电流推导

• 8、二极管直流电流推导

• 9、开关和二极管电压推导

• 10、开关功率损耗推导

• 11、开关散热注意事项

• 12、二极管功率损耗推导

• 13、二极管散热注意事项

• 14、电感功率损耗推导

• 15、电容纹波电流推导

• 16、效率方程推导

• 17、电路实例

1、电感纹波电流

要导出电感电流方程，了解其波形很重要。顺便说一下，降压转换器可分为 CCM、TM 或 DCM。

CCM 代表连续导通模式，而 TM 代表过渡模式或有时称为边界模式。另一方面，DCM 代表不连续导通模式。

CCM 和 TM 具有相同的分析，而 DCM 需要不同的分析。对于高功率应用，不太可能有意在 DCM 模式下运行降压转换器。这将导致非常高的损失并且不切实际。

但是，降压转换器有时会进入 DCM 模式，此时负载很轻。因此，设计点或组件选择将基于重载，这主要是在 CCM。因此，在这个推导中，我们将考虑 CCM 操作。下面的绿色是电感在 CCM 下工作的电流波形。当 PWM 信号为高电平时，它线性上升。然后，当 PWM 信号为低电平时，它会线性减小。

降压转换器有时会进入 DCM 模式

当 PWM 为高电平时，分析将是：

降压转换电路

要使用的关键方程是电感两端的电压，即：

VL = LX di / dt

电感纹波电流计算公式

当PWM为低电平时，分析为：

降压转换电路

降压转换电路公式

di_Ton 和 di_Toff 都会给出相同的结果。

2、占空比推导

如果你检查电感电流波形，则上升和下降幅度相同。因此，上面的两个方程 di_Ton 和 di_Toff 都可以相等，我们得出了最终的占空比。

占空比公式

3、电感 RMS电流推导

我们将从以下波形中的电感 RMS 电流开始，即 di 和 Imin 的 RMS 之和。

降压转换电路

电感 RMS电流推导公式

4、电感直流电流推导

下一个降压转换器电感设计公式将针对直流电流。但是，如果你仔细观察降压转换器原理图，就会发现电感器与输出负载串联。因此，电感电流的直流电平与负载的直流电平相同。

5、开关 RMS 电流推导

降压转换器上的开关可以是 BJT、MOSFET 或 IGBT。这里使用 MOSFET，因为它是中低功率应用中最流行的一种。MOSFET 的电流波形如下所示。

MOSFET 的电流波形

Q1 的 RMS 电流是面积 A1 和 A2 的 RMS 之和。A1是三角形，A2是矩形。

1）A1 区域的 RMS

A1 区域的 RMS公式

2）A2 区域的 RMS

A2 区域的 RMS公式

因此，开关电流的 RMS 为

开关电流的 RMS

简化后消除 Imax：

开关电流的 RMS 公式

6、 开关直流电流推导

MOSFET 的 RMS 电流始终高于 DC 电流，它是用于计算功耗以获得最坏情况的值。然而，无论出于何种原因，设计师都可能需要 DC 电平。因此，让我们将其包含在此降压转换器设计教程中。

总直流电平也是上述波形中 A1 和 A2 的直流电平之和。

开关直流电流公式推导

重写方程以排除 Imax

开关直流电流公式推导

7、降压转换器设计教程——二极管 RMS 电流推导

参考下面的波形，我们可以计算出二极管的 RMS 电流。只有当 MOSFET 不导通时，二极管才会导通。

MOSFET波形图

二极管 RMS 电流公式

二极管 RMS 电流公式

8、二极管直流电流推导

继续使用上述波形来确定二极管的直流电流：

二极管直流电流公式

9、开关和二极管电压推导

降压转换电路

VQ1 最大值 = VIN 最大值 + VSpike

Vspike 是由寄生电感引起的，可以假设为 VIN 的 40-70%。

VD1 最大值 = VIN 最大值 + Vspike

Vspike 是由寄生电感引起的，可以假定为 VIN 的 50-120%。

10、降压转换器设计教程——开关功率损耗推导

开关功率损耗由两个因素组成。一是导通损耗，二是开关损耗。传导损耗是由于开关上的固定电压降引起的，而开关损耗是由于开关的开关动作引起的。

这里使用 MOSFET，因此，贝洛方程适用于 MOSFET。

1）传导损耗

传导损耗公式

2）开关损耗

开关损耗公式

3）总 MOSFET 功率损耗

总 MOSFET 功率损耗公式

11、 开关电源应力和散热注意事项

开关的功率应力只是实际功耗除以功率容量。

Pstress = Pdissipation 实际 / Pdissipation 能力

对于没有散热器（开关未安装在散热器上）：

耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

• Tjmax – 器件的最高结温

• Tamax – 最高工作环境温度

• Rthjc – 结到外壳的热阻

如果需要计算器件的实际结温，可以按如下方式进行：

Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax

对于带散热器（开关安装在散热器上）：

耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)

• Tjmax – 器件的最高结温

• Tcmax – 最大允许外壳温度

• Rthjc – 结到外壳的热阻

• Rthchs – 从外壳到散热器的热阻，这是连接散热器和外壳的材料的热阻。

• Rthhsa – 从散热器到空气的热阻，这实际上是所用散热器的热阻。

实际器件结温可计算为：

Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax

12、二极管功率损耗推导

损耗二极管 = Irms X VF

13、 二极管功率应力和散热注意事项

二极管的功率应力只是实际功耗除以功率容量。

Pstress = Pdissipation 实际 / Pdissipation 能力

对于没有散热器（二极管未安装在散热器上）：

耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

• Tjmax – 器件的最高结温

• Tamax – 最高工作环境温度

• Rthjc – 结到外壳的热阻

如果需要计算器件的实际结温，可以按如下方式进行：

Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax

对于带散热器（二极管安装在散热器上）：

耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)

• Tjmax – 器件的最高结温

• Tcmax – 最大允许外壳温度

• Rthjc – 结到外壳的热阻

• Rthchs – 从外壳到散热器的热阻。这是连接散热器和外壳的材料的热阻。

• Rthhsa – 从散热器到空气的热阻。这实际上是所用散热器的热阻。

实际器件结温可计算为：

Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax

14、电感功率损耗推导

电感的功率损耗由两部分组成：直流损耗和交流损耗。在低开关频率和低功率下，AC 损耗很小，因此根本不包括在计算中。但是对于非常高的开关频率，你可以假设开关损耗与直流损耗几乎相同。直流损耗有时也称为铜损，而开关损耗也称为磁芯损耗。

电感功率损耗公式

15、 输出电容选择

下面的输出电容 (C1) 计算是通用的。但是，特定控制器可能有自己的公式来推导出输出电容的值，因为这与环路补偿有关。考虑到没有 ESR 的影响，可以使用下面的公式来确定输出电容的大小。

C1 = di / (Fsw X Vripple)

电解电容的ESR很大，分析时需要考虑。上面计算的电容应具有不高于下式的 ESR。

ESR = Vripple / di

• ESR——等效串联电阻

• di – 电感纹波电流

• Fsw——开关频率

• Vripple – 允许的输出纹波电压

所选输出电容的纹波电流额定