降压变换器

降压变换器（Buck Converter，又称为Buck变换器），又称为降压斩波器（Buck Chopper），是会降低电压的直流-直流转换器，输出（负载）端的电压会比输入（电源）端要低，但其输出电流会大于输入电流。降压变换器是开关电源，一般至少会有二个半导体元件（二极管及晶体管，不过新型的降压变换器可能会用晶体管配合同步整流代替二极管）及至少一个储能元件（电容器、电感器或是二者都有）。一般也会在输出端及输入端加上以电容器为主的滤波器（有时也会配合电感器）以降低电压涟波。

像降压变换器之类的开关电源其效率会比线性电压调节器要好，线性稳压器的电路较简单，可以降低电压，且其输出电压的涟波会比降压变换器要小很多，但不要的能量会以热的方式释放，而且不能提高电流。

降压变换器的效率一般会高过90%，因此常用来将电脑中的主电源（多半是12V）降压到USB、DRAM及CPU需要的电源（1.8V或更低）。

降压变换器的动作原理是其电感器上的电流由二个开关（多半是晶体管及二极管）控制。理想降压变换器会假设其所有的元件都是理想的。其开关及二极管没有压降，不导通时不会有漏电流，且电感器没有等效的串连电阻。而且在同一周期内，假设输入电压及输出电压都不会变化（因此假设输出电容为无限大）。

降压变换器的概念可用电感器的电压及电流之间的关系来描述。

一开始开关不导通，电路的电流为零。当开关初次导通时，其电流会增加，电抗器两端也会因为电流的增加而产生电压，抵抗电流的增加。此电压会抵消部分电源端的电压，因此负载端的电压会较电源端要低。随着时间增加，电流的变化率变小，因此电感器的端电压也变小，使负载端的电压慢慢上升，此时电感器中会以磁场方式储存能量。

若再使开关不导通，电源端的电压和电路分离，因此电流会下降。由于电流下降，电感器两端也会产生电压，抵消电流的下降，此时电感器可视为一电压源。而在进行储能和释能转换时，电感的正负极会发生变化。电感器利用磁场中储存的能量使电流流到负载端。此时是由电感器提供电能给电路中的其他元件。若在电感器的电放完之前，开关又再度导通，负载端的电压就会恒大于零。

若降压变换器在工作期间，其电感电流${\displaystyle I_L}$_DSON很低的MOSFET就可以用作为开关₂，开关₂功率损失为

上述二种情形下的损失都很明显和占空比D有关，且飞轮二极管和整流开关（也称为下方开关）都和开关₁断路时间占的比例（1-D）成正比。因此，若系统设计在占空比较低的条件下运作，飞轮二极管或是整流开关的损失会较大，此时若考虑使用同步整流的架构，在效率的改善也会比较明显。

若没有实际的数据，读者很难了解同步整流的好处在哪里。考虑一个电源供应器，输入5V，输出3.3V，额定电流10A。此时的占空比为66%，二极管导通的比率为34%。若使用顺向导通压降为0.7 V的传统二极管，其导通功率损失为2.38 W，若选用一颗R_DSON为0.015 Ω的MOSFET，其导通功率损失就减到0.51 W。因此可以提升效率，也减少了电源供应器的发热。

另一个同步整流变换器的好处是它在本质上是双向的，因此也允许功率由输出端流到输入端，适用于需要再生制动的场合。若功率反向流动，其运作方式会比较像升压变换器。

同步整流变换器有优点，不过也有其缺点。下方开关一般会比飞轮二极管要贵，而且因为需要有二组输出，而且是互补式（一个导通，另一个断路）的开关驱动电路，其复杂性就提高很多。

同步整流变换器的驱动器需要避免上下二个开关同时导通，这种故障称为直通（shootthrough），这会让输入电压的二端直接短路，产生大电流。最简单的避免方法是让开关 S₁先断路，等待一小段时间，再将S₂导通。不过这段时间要够长，可以确保开关 S₁和S₂不会同时导通，这个就会产生额外的损失。另一个作法是非重叠式（non-overlap）保护，就是在开关S₁、S₂和L在电路上相连接的部分根据侦测到的电压判断其状态，若电压高于或低于一定值，就启动时间延迟的机制。

多相降压变换器是在输入和负载之间有多个基本的降压变换器并联而成。在切换周期内，各相的降压变换器会在不同的时间导通及关闭，各相的降压变换器多半都会用到同步整流的技术。

因为各相切换的时间错开，n相降压变换器对负载的反应速度会是基本降压变换器的n倍，但又不会有n倍切换频率会产生的切换损失，因此可以针对快速变化的负载（例如现在的CPU）调整占空比。

降压变换器在切换涟波上也会有明显的下降，一方式是因为输出端看到的等效切换频率（切换频率的n倍）提高，而且假如占空比的n倍恰好是整数，其切换涟波会变为0。在某几相电感电流的增加量恰好和另外几相电感电流的下降量抵消，因此没有切换涟波。

另一个好处是在n相降压变换器中，负载电流由n个降压变换器分开处理，这也表示开关的热可以分散在较大的区域，散热会比较方便。

此电路架构已用在电脑的主板中，将开关电源提供的12 V_DC电压转换到较低（例如1V），符合CPU需求的电压。现在的CPU功率需求可能会超过200W，功率变化非常的快，而且涟波电压需小于10mV。典型主板的电源会用三相或四相的降压变换器。

多相降压变换器隐含的主要问题是如何确保各相的电流是平衡分配的。电流的平衡可以用几个方式达到。可以用“无损失”（losslessly）的方式量测各相电流，方式是量测各相电感器或是下方开关（整流开关）的跨压（在下方开关导通时）。此方式称为“无损失”的原因是它主要是靠电感器的串联杂散电阻（或是下方开关的导通电阻），不需额外加入电阻。各一个方式是在电路中串联电阻，量测跨压，此方式更准确，也比较容易调整，不过在体积、效率及成本上都比较不利。

电流也可以由输入侧来量测，可以透过各相的上方开关进行“无损失”量测，也可以在输入端直接串联一个电阻量测。后者的挑战性较高，因为切换损失不容易滤掉，但价值会比各相加一个电阻要便宜。

导通损失（和负载有关）：

切换损失：

降压变换器可以用来作阻抗匹配，以符合最大功率传输定理。像光伏系统中用的最大功率点追踪（MPPT）就可配合降压变换器。

根据电功率的公式：:

其中

根据欧姆定律：

其中

用这些式子取代功率公式中的I_o及I_i可得：

假设降压变换器在连续模式下（I_L > 0）：A

其中：

将此式代入前式的V_o中，可得：

可以简化为：

最后可得：

因此可以透过调整占空比来调整阻抗。这可以用在一些阻抗需要动态调整的应用中。