直流轉直流交換式電源供應器電路規則

任一直流轉直流交換式電源供應器均具有最基本的三個節點，其為輸入電壓（Vin）、輸出電壓（Vo）及地（GND）。而周邊元件，除了輸入、輸出穩壓電容外，其電路是由三個元件L（電感）、SW（開關元件）及D（二極體）所組成。其規則如下：

• (1) L（電感）連接至Vin、Vo及GND中間電位的節點。（第二高電位）(2)SW（開關）連接至與Vin同路徑的節點，而且D（二極體）需連接至與Vo同路徑的節點。

其中D的陽極（Anode）到陰極（Cathode）的方向需與電感電流同方向。利用上述兩條規則，便能輕易地分析出降壓、升壓、負壓的基本電路。

降壓電路@內文:降壓電路（Buck Converter）中，Vin、Vo、GND三個節點依電壓高低排序為Vin（高）、Vo（中）、GND（低）。依規則(1)L（電感）連接至Vin、Vo及GND三節點中的第二高電位的節點Vo，如(圖一)所示。

《圖一　降壓電路中，依規則(1)將L連接至第二高電位的節點（Vo）》

接著利用規則(2)，SW（開關）連接至與Vin同路徑的節點，而且D（二極體）需連接至與Vo同路徑的節點。其中D的陽極（Anode）到陰極（Cathode）的方向需與電感電流同方向。因此SW的兩端與Vin及L相連，而D（二極體）的兩端與GND及L相連，如(圖二)所示。

《圖二　降壓電路中，依規則(2)將SW及D連接至適當的位置，所成降壓電路》

升壓電路

升壓電路（Boost Converter）中，Vin、Vo、GND三個節點依電壓高低排序為Vo（高）、Vin（中）、GND（低）。

依規則(1)，L（電感）連接至Vin、Vo及GND三節點中的第二高電位的節點Vin，如(圖三)所示。

《圖三　升壓電路中，依規則(1)將L連接至第二高電位的節點（Vin）》

依規則(2)，SW（開關）連接至與Vin同路徑的節點，而且D（二極體）需連接至與Vo同路徑的節點。其中D的陽極（Anode）到陰極（Cathode）的方向需與電感電流同方向。在應用此規則時，SW可以接至GND或Vo，但配合D需連接至與Vo的節點，則SW只能與GND相連，而D需與Vo相連，如(圖四)所示。

《圖四　升壓電路中，依規則(2)SW連接至與Vin同路徑的節點，而且D需連接至與Vo同路徑的節點》

負壓電路

轉負壓電路（Inverting Converter）中，因Vo 0為負電壓的關係，所以Vin、Vo、GND三個節點依電壓高低排序為Vin（高）、GND（中）、Vo（低）。依規則(1)，L（電感）連接至Vin、Vo及GND三節點中的第二高電位的節點GND，如(圖五)所示。

《圖五　負壓電路中，依規則(1)將L連接至第二高電位的節點（GND）》

依規則(2)，SW（開關）連接至與Vin同路徑的節點，而且D（二極體）需連接至與Vo同路徑的節點。其中D的陽極（Anode）到陰極（Cathode）的方向需與電感電流同方向。所以SW（開關）與Vin及L相連，D（二極體）與Vo及L相連，如(圖六)所示。

《圖六　負壓電路中，規則(2)SW連接至與Vin同路徑的節點，而且D需連接至與Vo同路徑的節點》

物理意義

規則(1)：L（電感）連接至Vin、Vo及GND三節點中的第二高電位。電感就如同其符號般，在電學上與彈簧在力學上很類似，力學上對彈簧施力改變其長度，彈簧便會產生與外力方向相反的反作用力，當外力消失後，便會產生反彈。因此將電感連接至第二高電位的節點，即中間電位的節點，對電感兩端加一電壓，使其電感電流增加，貯存磁能，然後將電源斷開，其能在反方向的地方釋放能量，即由最低電位往最高電位或由最高電位往最低電位的節點釋出能量。規則(2)：SW（開關）連接至與Vin同路徑的節點，而且D（二極體）需連接至與Vo同路徑的節點。

SW（開關）之所以要與Vin同路徑的節點相連，主要為Vin為電源，必須要有主動的開關來對電感做充放能量的動作。而D（二極體）需連接至與Vo同路徑的節點，其主要目的為電感釋放能量時，能自動將其貯存的能量，順著陽極至陰極的方向，提供給輸出，而二極體扮演著整流的角色，不讓輸出電壓倒灌電流回輸入電源。

結論

儘管市面已有許多書籍或文章詳細探討直流對直流交換式電源供應器的原理，本文提供了另一有趣的觀點，利用二條簡單的規則，透過物理意義的解釋，讓一般工程師，不必受限於其實際應用的熟悉度，便能夠快速分析出升壓、降壓及負壓電路的架構。（作者任職於Maxim Integrated Products台灣分公司）