透过(图一)可了解降压式电源转换器的基本电路，利用开关Q控制功率的转换，开关闭合时Vin电源输出功率给负载Load，储能组件同时充电，开关打开时储能组件再供应功率给负载。而(图二)与(图三)则为开关切换时的功率传输状况。
从(图四)电压与电流的关系可以得到底下几个公式（推导过程请参考相关书籍）。
由以上三个公式可以看出几点电路特性：
- (1)转压比愈大则电感器涟波电流也愈大，要特别注意电感器的饱和电流；
- (2)开关切换频率愈高则电感器涟波电流与输出端涟波电压就愈小，因此在高切换频率下可以用小容量的电感器与电容器；
- (3)电感器容量愈大则涟波电流就愈小，电容器容量愈大则涟波电压就愈小，但相对的组件容量愈大体积就愈大。
组件选择
电容器（Capacitor）
使用电容器除了容量大小之外还要注意额定电压与涟波电流。额定电压的选择以操作电压的1.2倍为原则，而涟波电流的选择视电容器两端涟波电压大小而定，以降压电源转换器而言，涟波电流的选用如(公式六)。
电容器容量除了会影响输出电压的涟波之外还会影响控制回路稳定度，如(图五)所示。
电感器（Inductor）
使用电感器除了容量大小之外还要注意饱和电流。由(图四)可以看到电感电流并非稳定，故电感器的饱和电流必须大于最大涟波电流，如(公式七)所示。
电感值除会影响电流涟波与回路稳定度之外还决定了电感电流的导通模式，包括连续导通模式（Continuous Conduction Mode；CCM）与不连续导通模式（Discontinuous Conduction Mode；DCM），电流模式如(图六)所示。
CCM与DCM的边界条件如(公式八)。
当电感值大于临界电感值则进入电流连续导通模式，反之则进入电流不连续导通模式。CCM与DCM在实际应用上的差别在于DCM可以用较小的电感器，但是电流变化率比CCM大得多，电磁干扰（EMI）比较严重，而且电感器的铁芯材质必须选用高导磁系数的，对降压电源转换器应用而言还需选用高涟波电流的电容器，故除了轻载的应用外都不建议设计在DCM。
开关组件（Switch）
目前小功率电源转换器的开关组件以FET（Field Effect Transistor）为主流，而FET中又以N信道金氧半场效晶体管（N-channel Metal Oxide Semiconductor FET）为多数，因此开关组件的选择以MOSFET为主要的描述对象。
- (1)汲-源极（Drain-Source）崩溃电压（VDSS）必须大于输入电压（Vin）；
- (2)开启电阻（RDS_on）愈小愈好，开启电阻位于功率转换途径，大电流经过会产生损失，导致温度上升，因开启电阻俱正温度系数，故开启电阻需尽量的小；
- (3)汲-源极导通电流（IDS）选用与电感器的饱和电流IL（sa）相同，同时还需考虑与导通电阻形成的功率损耗；
- (4)闸极（Gate）输入电容Ciss愈小愈好，输入电容由闸-源极等效电容CGS与闸-汲极等效电容CGD所构成，输入电容会影响开关切换速度，Ciss愈大则切速度愈慢，且控制IC需要较大的驱动能力，故Ciss的选择是愈小愈好。
飞轮二极管（Freewheeling Diode）
飞轮二极管与MOSFET在电路中同为开关组件，只是飞轮二极管为被动式开关，当电感电压反转，高于二极管的顺向切入电压（Forward Voltage）开始动作，飞轮二极管的功用是形成路径让电感器释放能量，也因此二极管的顺向切入电压必须愈低愈好，因为在MOSFET开关截止后到飞轮二极管导通前的时间电感电流断路，电感器会感应一个高电压突波，这个电压突波会对MOSFET与电容器造成损坏。
另外二极管顺向切入电压还会造成额外的损失，故二极管的顺向切入电压需尽可能的小，开关速度也需尽可能的快（较小的接面电容值junction capacitor），目前都以萧特基二极管（Schottky Diode）取代普通二极管。
二极管的选用除了顺向切入电压外还需考虑两个因素，顺向导通电流与逆向崩溃电压（Reverse Voltage），顺向导通电流的选用与电感器的饱和电流IL（sa）相同，逆向崩溃电压必须大于Vin。
利用印刷电路板散热
印刷电路板的铜箔除了供应电流路径外，还可当作散热片，将功率组件所发出的热量经由铜箔散热；功率组件如MOSFET，汲极通常与散热片相连，目的是将开关切换与导通电阻产生的热损耗释放掉，因此印刷电路板在MOSFET汲极部分会刻意加大布线铜箔面积。
另外对某些内建开关的切换式电源转换控制IC而言，外露焊垫（exposed pad）的封装有助于IC散热，因此印刷电路板上的相对位置需预留散热焊垫（thermal pad），并利用散热穿孔（thermal via）与内层相连，目的是增加散热面积。(图七)是组件利用印刷电路板散热的方式。
实务设计与验证
现在将前面所有信息应用在实际电路上，藉以验证相关数据。先对控制IC作基本介绍，AIC1573是一颗内建开关的降压式电源转换器，最大操作电流为1.5A，开关切换频率可由外部电容器C3改变，标准应用电路如(图八)。
设计要求为：输入电压12v、输出电压5v、输出电流1.5A、输出电压涟波（含噪声）50mV、电感涟波电流为输出电流 ±20％、开关切换频率为100kHz。
决定电感值
决定输出电容值
飞轮二极管
决定输入电容涟波电流
输入电容只需补充开关瞬间造成的电荷，故不在乎电容值。
印刷电路板布局与性能验证
(图十一)为印刷电路板的环状布局，主电源线标示为网状，地平面标示为实心，可以明显看出地平面被电源线围绕，这样作的目的是压缩各组件的地平面，让控制IC的参考点与应用线路同步。
电源线与地线有足够的宽度容纳至少1.8A的涟波电流；印刷电路板背面只有一条穿层的讯号线，其余均为地平面，这条讯号线必须避免阻碍电流回路，保持地回路的畅通。
上下两层地平面以多数穿孔相连，控制IC的外露焊垫部分特别多加4个穿孔与背层广大的地平面相连，用以增加散热面积；唯一的穿层讯号线为控制IC侦测电压讯号用，仅流过极小的电流，寄生电容与寄生电感受到小电流抑制，对侦测电压讯号而言影响不大。
(图十二)将印刷电路板上层的控制IC外露焊垫位置取消，并移除散热穿孔，其结果使控制IC操作温度上升了20℃，电源转换器的整体效率下降5％，故外露焊垫的封装方式除了有效降低操作温度外还能间接的提升效率。
(图十三)为Tektronix TDS3034示波器以全带宽方式所测得的讯号波形，由上而下分别是IC接脚SE、输出电压涟波及电感涟波电流，除了完全符合计算内容之外，开关切换的噪声也得以抑制。
（作者为AIC沛亨半导体产品应用工程师）
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