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降壓式(Buck)轉換器
關鍵字：轉換器、降壓式、交換式電源供應器
摘要

本文先探討降壓型轉換器其動作原理，
再來進行連續導通模式、不連續導通模
式穩態模式分析與討論。最後由IsSpice
模擬與分析驗證其正確性。
降壓式轉換器電路圖
SW
+ vL=VS-VO iL
iC
+
Vs
-
+
Vc
-
iR
+
Vo
-
降壓式轉換器穩態操作特性(1)

1.電感電流為週期性:
iL (t )  iL (t  T )

2.平均電感電壓為零:
VL 

1
T

t T
t
vL (  ) d   0
3.平均電容電流為零:
1
IC 
T

t T
t
iL ( )d   0
分析降壓式電路作以下假設





1.電路操作於穩態
2.電感電流為連續
3.電容很大,輸出電壓固定
4. a.切換週期=T
b.開關閉合時間=DT
c.開關打開時間=(1-D)T
5.所有元件為理想元件
開關閉合時之分析
+ vL -
條件:1.二極體因逆而開路
2. vL  Vs  Vo  L
diL
dt
iL
iC
+
Vs
-
di L i L(SW,close)
3.iL線性增加, dt 
t
+
Vc
-
i
+
V
di L VS  VO

dt
L
i L(SW,close) i L

t
DT
i L(SW,close) VS  VO


DT
L
V  VO
 i L(SW,close)  ( S
)DT
L
VS-VO
DT
T
t
Imax
IL
IR
Imin
DT
T
t
開關打開時之分析
條件:1.二極體因順偏而短路
SW
+ vL=-VO iL
2.
.
di L
 vO  v L  L
dt
iC
+
Vs
-
di L i L(SW,open)
3.iL線性減少, 
dt
t
+
Vc
-
iR
+
Vo
-
 vO  v L  L
di L
dt
di L  VO

dt
L
di L i L(SW,open )

dt
t
 VO
i L
i L


t (1  D)T
L
VO
i L(SW,open )  ( )(1  D)T
L
ΔiL
IL
VL
Vs-Vo
DT
T
-Vo
t
VO/VS=?
i L(SW,close)  i L(SW,open )  0
VS  VO
VO
(
)DT  ( )(1  D)T  0
L
L
VO  VS D
在連續操作下電感最小值
VO
IL  IR 
R
iL  iC  i R
1 T
1 T
1 T
1 T
I L   i L (t)dt   (i C (t)  i R (t))dt   i C (t)dt   i R (t)dt
T 0
T 0
T 0
T 0
IC  0  I L  I R
i L VO 1  VO

 1 (1  D) 

 
(1  D)T   VO  
2
R 2 L
2Lf 
R

V
i
1 V

 1 (1  D) 
Im in  I L  L  O   O (1  D)T   VO  
2
R 2 L
2Lf 
R

Im in  0
1 1 D
 
0
R 2Lf
1 D 1

2Lf R
IL
(1  D)R
L
2f
(1  D)R
 L min 
2f
Im ax  I L 
ΔiL
輸出電壓漣波
Q  CVO
Q
C
Ti L
1 T i L
Q  ( )(
)
2 2 2
8
Ti L
VO 
8C
V (1  D)
T VO
VO 
(1  D)T  O
8C L
8LCf 2
VO
1 D

VO
8LCf 2
VO 
Ispice模擬電路圖
vL
3

3
L
43u
X1
IRF151
2
2
3
3
3
Vgs
1
Vout
4
iL
2
Vs
25
4 4
4
C
220u
3
D1
MUR405
iC
RL
1.25
30.0
x 4.46M
< 20.0
>
VGS in Volts
20.0
10.00
1
0
-10.00
4.45M
4.47M
4.49M
WFM.1 VGS vs. TIME in Secs
4.51M
4.53M
7.00
VOUT in Volts
5.00
1
3.00
1.00
-1.00
500U
1.50M
2.50M
WFM.1 VOUT vs. TIME in Secs
3.50M
4.50M
x 4.45M
< 4.95
4.96
>
VOUT in Volts
4.95
4.94
x 4.48M
< 4.93
1
>
4.93
4.92
4.45M
4.47M
4.49M
WFM.1 VOUT vs. TIME in Secs
4.51M
4.53M
25.0
x 4.44M
< 19.8
>
VL in Volts
15.0
5.00
x 4.46M
< -5.76
>
-5.00
1
-15.0
4.45M
4.47M
4.49M
WFM.1 VL vs. TIME in Secs
4.51M
4.53M
6.00
x 4.48M
< 4.98
>
IL in Amps
5.00
4.00
x 4.46M
< 2.93
>
3.00
1
2.00
4.45M
4.47M
4.49M
WFM.1 IL vs. TIME in Secs
4.51M
4.53M
2.00
x 4.48M
< 1.04
>
IC in Amps
1.00
0
x 4.46M
< -1.01
>
-1.00
1
-2.00
4.45M
4.47M
4.49M
WFM.1 IC vs. TIME in Secs
4.51M
4.53M