在电子世界中，我们经常需要将一个直流电压降低到一个更低的电压。例如，我们可能需要从12V电源轨道为3.3V微控制器供电。解决方案很简单，我们只需要增加一个3.3V线性稳压器ICLD1117与12V导轨，它调节电压降至3.3V。我们已经学过了调压器工作在我们之前的文章中。

现在，假设我们必须从相同的3.3V导轨上为LED带供电。每个led很容易消耗大约20mA，所以长条led很容易消耗1安培左右。如果我们计算调节器耗散的功率:

P = (v_在- - - - - - V_出) * I_出

耗散的功率约为8.7瓦!对于一个小小的线性调节器来说，耗散的能量太大了。如果我们计算效率，也就是输出功率除以输入功率，结果是可怜的38%!通常线性稳压器与开关稳压器相比效率很低。

现在我们感到迫切需要找到一些可以降低直流电压的东西，并有效地做到这一点!

Buck转换器简介

幸运的是，这样的设备已经存在了，它被称为巴克转换器或降压稳压器．这是一种直流-直流转换器所以它只用几个晶体管开关和一个电感器就能完成这项任务。一个典型的降压转换器电路显示在上面的图像。

它和a很相似提高转换器，但电感和晶体管的位置是互换的。上面电路中显示的开关通常是一个电力电子开关，如MOSFET, IGBT或BJT。开关将通过使用PWM信号来开关(打开和关闭)。

的Buck变换器工作与PWM“调光”略有相似。我们都听说过通过PWM信号使灯光变暗。占空比小意味着负载看到的平均电压小，当占空比高时，平均电压也高。

但平均电压并不是我们所需要的——原始PWN信号在高压电平和地面之间振荡，这是任何精密负载(如微控制器)都不希望看到的。当然，将RC滤波器连接到方波源可以使输出干净。滤波器的电压水平取决于PWM信号的占空比——占空比越高，输出电压越高。

所以现在我们有一个干净的输出电压。下图显示了原始的PWM信号为蓝色，滤波后的输出为红色和紫色。

我们现在可以简单地将其用作降压转换器，但有一个主要缺点- RC滤波器中的电阻限制了电流，并以热量的形式浪费了能量，这并不比线性电压调节器的例子更好。

为了解决这个问题，我们转向另一种类型的电压滤波器，LC滤波器，它的工作与RC滤波器相同，但将R替换为L，换句话说，电阻与电感。电感电阻电流的变化和电容电阻电压的变化，这导致输出是平滑的直流。

现在我们有一个转换器，能够降低直流电压，并有效地做到这一点!

Buck变换器的工作

buck转换器的工作可以分为几个步骤。

步骤- 1:

开关打开，让电流流到输出电容，给它充电。由于电容上的电压不能立即上升，并且由于电感限制了充电电流，在开关周期中，电容上的电压并不是电源的全部电压。

步骤- 2:

开关现在关闭。由于电感器中的电流不能突然改变，电感器在它上面产生一个电压。当开关关闭时，允许该电压为电容器充电并通过二极管为负载供电，在整个开关周期中保持电流输出电流。

这两个步骤每秒重复数千次，从而产生连续的输出。

Buck变换器的设计

步骤- 1

确定输入电压和输出电压电流。

变换器的占空比为:

Dc = v_出/ V_在

步骤- 2

确定输出功率，即输出电压和电流的乘积。根据能量守恒定律，这也是输入功率(虽然不是完全如此——没有什么是百分之百有效的!)

步骤- 3

现在将输出功率除以所选的开关频率，以得到每个脉冲传输的功率。

由于从能量的角度谈论电感比较容易，我们现在可以假设输出功率只是每秒的输出能量。所以如果转换器的输出是30瓦，那么我们可以说输出能量是30焦耳每秒。

步骤- 4

现在我们有了每个脉冲的能量，我们可以用输入电流和能量计算电感:

L = 2e / i²

其中E是每脉冲传递的能量，I是输入电流的平方。

使用电感，频率和占空比的值，我们现在可以开始构建一个简单的升压转换器。

零件的选择

场效应晶体管

由于开关在高的一边，使用N通道MOSFET或NPN双极将不起作用，除非我们有一个引导门驱动器。虽然这是可能的，但它相当复杂。

建议在这些情况下使用P通道设备，它们极大地简化了驾驶要求，但请记住，它们在栅极低时打开，因此需要反向信号。你可以使用IRF5210，它有一个不错的60mΩ电阻和一个V_DS-100V，这对于大多数应用来说应该足够了。然而，有许多更好的设备可用，选择完全取决于设计师根据具体的应用。

记得使用栅极驱动器来减少开关损耗!

二极管

由于这个二极管不需要处理非常高的电压，而是大电流，这将是一个很好的设计选择使用肖特基二极管与低正向压降，以保持效率。

电容器

电容值取决于输出电压纹波，可以使用电容方程计算，但对于低电流应用，通常100uF到680uF之间的值就足够了。

结论

请记住，这里描述的设计过程不应该被视为专家的咆哮，相反，这些是非常简单的方程，让您的第一个buck转换器启动和运行。

同样，监管是这里没有涉及的主题。如果要做一个稳压降压变换器，建议使用专用的降压控制器IC之类LM2596专为这个目的设计的。