DC/DC的基本工作原理（降壓CCM）

本文將圍繞降壓型DC/DC轉換器的基本工作原理，以降壓型DC/DC轉換器的「連續模式（CCM: Continuous Conduction Mode）」為例，說明DC/DC轉換器的工作原理概述。

1.降壓型DC/DC轉換器的基本構成

降壓型DC/DC轉換器由以下主要元件/電子元件構成，以實現變壓器功能。

• 開關元件(Main SW)
  主要使用功率MOSFET (MOS功率調整管）。
  此元件透過快速反覆導通/關斷，負責將線圈電流間歇性提供給電感器。
  其導通/關斷比例（佔空比）是決定輸出電壓的重要因素。
• 二極體(D)
  開關元件（SW）關斷時，為確保流經電感器的電流路徑而必需。
  在非同步整流型中，使用肖特基勢壘二極體。在同步整流型中，使用另一個MOSFET取代此二極體，旨在降低因正向壓降引起的損耗，進而提升效率。
• 電感器(L)
  透過儲存、釋放磁能，作為輸出側供給電流的作用。
• 輸入電容(CIN)
  抑制輸入電壓波動，起到DC/DC轉換器穩定工作的作用。
• 輸出電容(CL)
  用於吸收電感器提供的電流，穩定輸出電壓。

2. 降壓型DC/DC轉換器的工作原理概述

降壓型DC/DC轉換器的工作是透過快速重複以下兩個階段的開關元件的導通/關斷來實現。

階段1: Pch FET開關導通（ON）期間

在此期間，高側配置的Pch FET開關將處於導通狀態。Pch FET開關處於導通狀態時，電流從輸入側流向線圈，並向輸出側供給電流。
此時各節點的狀態如下圖所示。

• Pch FET閘極: 根據來自控制電路的訊號，閘極電壓變為低（Low）電平，Pch FET開關將導通。由此，VIN和線圈將導通。
• 電流路徑: 電流從輸入電壓流出，經由處於導通狀態的Pch FET開關和線圈，供給連接到輸出電容（CL）的負載。
• 線圈電流(IL): 線圈上會施加一個從輸入電壓減去輸出電壓的正電壓（Vin-Vout）。 基於此電壓差，線圈電流將呈線性增長，電流增長率為（Vin-Vout）/L。
• Lx節點: 作為Pch FET汲極的Lx節點，因開關已導通而處於高（High）電平（接近VIN的電壓）。
• VOUT: 透過線圈供給電流，對輸出電容充電，輸出電壓會逐漸上升。

階段2: Pch FET開關關閉（OFF）期間

接下來是Pch FET開關關斷後的階段2的工作。在此期間，高側配置的Pch FET開關將處於關閉狀態。當Pch FET開關處於關斷狀態時，電流從GND流向線圈，並向輸出側供給電流。
此時各節點的狀態如下圖所示。

• Pch FET閘極: 根據來自控制電路的訊號，閘極電壓變為高（High）電平，Pch FET開關將關閉。
• 電流路徑: 即使開關關斷，電感器也具有阻礙電流突變的特性（楞次定律）。因此，電感器中儲存的電流會通過二極體（D）或同步整流用MOSFET（開關2），持續流向輸出電容（CL）。
• 線圈電流(IL): 線圈上會施加一個負電壓（-Vout）。 基於此電壓差，線圈電流將呈線性減少，電流增長率為-Vout/L。
• Lx節點: 為維持線圈電流，透過自感產生肖特基勢壘二極體（或同步整流用MOSFET）導通的電壓。具體而言，因Lx電壓變得低於GND，二極體會被正向偏壓，形成使電流持續流動的路徑。
• VOUT: 雖然透過線圈供給電流，但會因供給電流略小於輸出電流而放電，輸出電壓隨之逐漸下降。

3.輸出電壓的控制：佔空比(Duty比)

控制電路會持續監控輸出電壓，並根據負載電流和輸入電壓的波動，即時調整此佔空比。由此，即使外部條件變化，也可維持穩定的目標輸出電壓。例如，負載電流增加導致輸出電壓趨於下降時，控制電路會略微增加佔空比，並提供輸出側更多能量，進而恢復電壓。