在电子世界中，很多时候我们发现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供电轨为3.3V微控制器供电。解决方案很简单，我们只需添加一个3.3V线性调节器IC，如LD1117采用12V导轨，可将电压降至3.3V。我们已经学过了电压调节器的工作原理在上一篇文章中。

现在，假设我们必须从相同的3.3V轨道为LED条供电。LED每个都很容易消耗20mA左右的电流，所以一条长条很容易消耗掉一个安培左右的电流。如果我们计算调节器消耗的功率：

P=（V）_在–V_出) *我_出

功率耗散出来大约8.7瓦!这对于一个小线性调节器来说是很大的能量消耗。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%!通常线性电压稳压器的效率比开关稳压器低。

现在我们感到迫切需要找到一些东西，可以降低直流电压，并有效地做它!

介绍降压转换器

幸运的是，这样的设备已经存在，它被称为降压变换器或降压稳压器.这是一种DC-DC转换器，只用几个晶体管开关和一个电感就完成了这个任务。上图显示了一个典型的降压变换器电路。

它很像一辆汽车升压变换器，但电感器和晶体管的位置是切换的。上述电路中显示的开关通常是功率电子开关，如MOSFET、IGBT或BJT。开关将使用PWM信号进行切换（打开和关闭）。

的Buck变换器工作原理与PWM“调光”稍微类似。我们都听说过灯被PWM信号变暗。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。

但平均电压不是我们所需要的——原始PWN信号在高电压电平和接地之间振荡，这不是什么精密负载（如微控制器）当然，将RC滤波器连接到方波源可使输出干净。滤波器的电压电平取决于PWM信号的占空比–占空比越高，输出电压越高。

现在我们有了一个干净的输出电压。下图显示了蓝色的原始PWM信号和红色和紫色的滤波输出。

我们现在可以简单地使用它作为降压转换器，但有一个主要的缺点-电阻在RC滤波器限制电流和浪费能源的形式的热量，这是没有更好的线性电压调节器的例子。

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，它的作用与RC滤波器相同，但用L代替R，换句话说，电阻加电感。电感抵抗电流的变化，电容抵抗电压的变化，从而使输出为平滑的直流。

现在，我们有了一个转换器，它能够降低直流电压，而且效率很高！

Buck转换器的工作原理

buck变换器的工作可以分解为几个步骤。

第1步：

开关打开，让电流流向输出电容器，对其进行充电。由于电容器两端的电压不能立即升高，并且由于电感器限制充电电流，因此在开关循环期间通过电容器的电压不是电源的全电压。

第2步：

现在开关关闭了。由于电感器中的电流不会突然改变，因此电感器在其上产生电压。当开关关闭时，这个电压被允许给电容器充电并通过二极管给负载供电，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- 1

确定输入电压、输出电压和电流。

变频器的占空比为:

直流=V_出/ V_在

- 2步

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（尽管并非如此——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。

因为用能量来谈论电感比较容易，我们现在可以假设输出功率就是每秒输出的能量。所以如果转换器的输出是30瓦，那么我们可以说输出的能量是30焦耳每秒。

- 4步

现在我们有了每个脉冲的能量，我们可以使用输入电流和能量计算电感：

L=2E/I²

E是每个脉冲传递的能量，I是输入电流的平方。

利用电感、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变换器。

选择的部分

场效应晶体管

由于开关是高的，使用N通道MOSFET或NPN双极不能工作，除非我们有一个引导栅驱动器。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，它们极大地简化了驱动要求，但记住，它们是在门是低的时候打开的，因此倒置信号是必要的。你可以使用IRF5210，它有一个像样的60mΩ和V的电阻_DS-100V，对于大多数应用应该足够了。然而，有许多更好的设备可用，选择完全取决于设计师基于特定的应用程序。

记住要使用门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，相当高的电流，它将是一个很好的设计选择使用肖特基二极管低正向电压降，以保持事情的效率。

电容器

电容值取决于输出电压纹波，可以用电容方程计算，但对于低电流应用来说，100uF到680uF之间的值应该足够了。

结论

请记住，这里描述的设计过程不应被视为专家的咆哮，而是让您的第一个降压转换器启动并运行的非常简单的方程式。

同样，调节是一个没有在这里讨论的话题。如果你想制作一个调节降压转换器，建议使用一个专用的降压控制器IC，如LM2596专为这个目的而设计的。