透過(圖一)可了解降壓式電源轉換器的基本電路，利用開關Q控制功率的轉換，開關閉合時Vin電源輸出功率給負載Load，儲能元件同時充電，開關打開時儲能元件再供應功率給負載。而(圖二)與(圖三)則為開關切換時的功率傳輸狀況。
從(圖四)電壓與電流的關係可以得到底下幾個公式（推導過程請參考相關書籍）。
由以上三個公式可以看出幾點電路特性：
- (1)轉壓比愈大則電感器漣波電流也愈大，要特別注意電感器的飽和電流；
- (2)開關切換頻率愈高則電感器漣波電流與輸出端漣波電壓就愈小，因此在高切換頻率下可以用小容量的電感器與電容器；
- (3)電感器容量愈大則漣波電流就愈小，電容器容量愈大則漣波電壓就愈小，但相對的元件容量愈大體積就愈大。
元件選擇
電容器（Capacitor）
使用電容器除了容量大小之外還要注意額定電壓與漣波電流。額定電壓的選擇以操作電壓的1.2倍為原則，而漣波電流的選擇視電容器兩端漣波電壓大小而定，以降壓電源轉換器而言，漣波電流的選用如(公式六)。
電容器容量除了會影響輸出電壓的漣波之外還會影響控制迴路穩定度，如(圖五)所示。
電感器（Inductor）
使用電感器除了容量大小之外還要注意飽和電流。由(圖四)可以看到電感電流並非穩定，故電感器的飽和電流必須大於最大漣波電流，如(公式七)所示。
電感值除會影響電流漣波與迴路穩定度之外還決定了電感電流的導通模式，包括連續導通模式（Continuous Conduction Mode；CCM）與不連續導通模式（Discontinuous Conduction Mode；DCM），電流模式如(圖六)所示。
CCM與DCM的邊界條件如(公式八)。
當電感值大於臨界電感值則進入電流連續導通模式，反之則進入電流不連續導通模式。CCM與DCM在實際應用上的差別在於DCM可以用較小的電感器，但是電流變化率比CCM大得多，電磁干擾（EMI）比較嚴重，而且電感器的鐵芯材質必須選用高導磁係數的，對降壓電源轉換器應用而言還需選用高漣波電流的電容器，故除了輕載的應用外都不建議設計在DCM。
開關元件（Switch）
目前小功率電源轉換器的開關元件以FET（Field Effect Transistor）為主流，而FET中又以N通道金氧半場效電晶體（N-channel Metal Oxide Semiconductor FET）為多數，因此開關元件的選擇以MOSFET為主要的描述對象。
- (1)汲-源極（Drain-Source）崩潰電壓（VDSS）必須大於輸入電壓（Vin）；
- (2)開啟電阻（RDS_on）愈小愈好，開啟電阻位於功率轉換途徑，大電流經過會產生損失，導致溫度上升，因開啟電阻俱正溫度係數，故開啟電阻需盡量的小；
- (3)汲-源極導通電流（IDS）選用與電感器的飽和電流IL（sa）相同，同時還需考慮與導通電阻形成的功率損耗；
- (4)閘極（Gate）輸入電容Ciss愈小愈好，輸入電容由閘-源極等效電容CGS與閘-汲極等效電容CGD所構成，輸入電容會影響開關切換速度，Ciss愈大則切速度愈慢，且控制IC需要較大的驅動能力，故Ciss的選擇是愈小愈好。
飛輪二極體（Freewheeling Diode）
飛輪二極體與MOSFET在電路中同為開關元件，只是飛輪二極體為被動式開關，當電感電壓反轉，高於二極體的順向切入電壓（Forward Voltage）開始動作，飛輪二極體的功用是形成路徑讓電感器釋放能量，也因此二極體的順向切入電壓必須愈低愈好，因為在MOSFET開關截止後到飛輪二極體導通前的時間電感電流斷路，電感器會感應一個高電壓突波，這個電壓突波會對MOSFET與電容器造成損壞。
另外二極體順向切入電壓還會造成額外的損失，故二極體的順向切入電壓需儘可能的小，開關速度也需儘可能的快（較小的接面電容值junction capacitor），目前都以蕭特基二極體（Schottky Diode）取代普通二極體。
二極體的選用除了順向切入電壓外還需考慮兩個因素，順向導通電流與逆向崩潰電壓（Reverse Voltage），順向導通電流的選用與電感器的飽和電流IL（sa）相同，逆向崩潰電壓必須大於Vin。
利用印刷電路板散熱
印刷電路板的銅箔除了供應電流路徑外，還可當作散熱片，將功率元件所發出的熱量經由銅箔散熱；功率元件如MOSFET，汲極通常與散熱片相連，目的是將開關切換與導通電阻產生的熱損耗釋放掉，因此印刷電路板在MOSFET汲極部分會刻意加大佈線銅箔面積。
另外對某些內建開關的切換式電源轉換控制IC而言，外露焊墊（exposed pad）的封裝有助於IC散熱，因此印刷電路板上的相對位置需預留散熱焊墊（thermal pad），並利用散熱穿孔（thermal via）與內層相連，目的是增加散熱面積。(圖七)是元件利用印刷電路板散熱的方式。
實務設計與驗證
現在將前面所有資訊應用在實際電路上，藉以驗證相關數據。先對控制IC作基本介紹，AIC1573是一顆內建開關的降壓式電源轉換器，最大操作電流為1.5A，開關切換頻率可由外部電容器C3改變，標準應用電路如(圖八)。
設計要求為：輸入電壓12v、輸出電壓5v、輸出電流1.5A、輸出電壓漣波（含雜訊）50mV、電感漣波電流為輸出電流 ±20％、開關切換頻率為100kHz。
決定電感值
決定輸出電容值
飛輪二極體
決定輸入電容漣波電流
輸入電容只需補充開關瞬間造成的電荷，故不在乎電容值。
印刷電路板佈局與性能驗證
(圖十一)為印刷電路板的環狀佈局，主電源線標示為網狀，地平面標示為實心，可以明顯看出地平面被電源線圍繞，這樣作的目的是壓縮各元件的地平面，讓控制IC的參考點與應用線路同步。
電源線與地線有足夠的寬度容納至少1.8A的漣波電流；印刷電路板背面只有一條穿層的訊號線，其餘均為地平面，這條訊號線必須避免阻礙電流迴路，保持地迴路的暢通。
上下兩層地平面以多數穿孔相連，控制IC的外露焊墊部分特別多加4個穿孔與背層廣大的地平面相連，用以增加散熱面積；唯一的穿層訊號線為控制IC偵測電壓訊號用，僅流過極小的電流，寄生電容與寄生電感受到小電流抑制，對偵測電壓訊號而言影響不大。
(圖十二)將印刷電路板上層的控制IC外露焊墊位置取消，並移除散熱穿孔，其結果使控制IC操作溫度上升了20℃，電源轉換器的整體效率下降5％，故外露焊墊的封裝方式除了有效降低操作溫度外還能間接的提昇效率。
(圖十三)為Tektronix TDS3034示波器以全頻寬方式所測得的訊號波形，由上而下分別是IC接腳SE、輸出電壓漣波及電感漣波電流，除了完全符合計算內容之外，開關切換的雜訊也得以抑制。
（作者為AIC沛亨半導體產品應用工程師）
相關時事單元
相關作者
相關產業類別
相關組織
相關網站單元