Buck 轉換器計算器 – DC-DC 降壓設計
計算 DC-DC Buck（降壓）轉換器電路的占空比、電感漣波電流、輸出漣波電壓與效率。
輸入輸入電壓、輸出電壓、切換頻率、電感值、負載電流與電容 ESR，以分析你的 Buck 轉換器設計。
Buck 轉換器計算器 – DC-DC 降壓設計
計算 DC-DC Buck（降壓）轉換器電路的占空比、電感漣波電流、輸出漣波電壓與效率。
關於 Buck 轉換器計算器
Buck 轉換器是一種 DC-DC 切換式電源拓撲，可將較高的輸入電壓降為較低的輸出電壓，同時維持高效率。它是電力電子中最基本的構成單元之一，幾乎存在於所有電子裝置中，從智慧型手機、筆記型電腦到車用系統與工業設備皆可見。
Buck 轉換器以脈衝寬度調變 (PWM) 原理運作。切換電晶體（通常為 MOSFET）以高頻導通與關斷。當開關導通時，電流由輸入端經電感流向輸出端，並將能量儲存在電感的磁場中。當開關關斷時，電感會透過飛輪二極體（或現代設計中的同步 MOSFET）向負載維持電流。輸出電容則平滑產生的電壓波形。
在連續導通模式 (CCM) 中，基本關係為：Vout = D × Vin，其中 D 是占空比，也就是每個切換週期中主開關導通的比例。整理後可得 D = Vout / Vin。50% 占空比表示輸出為輸入的一半，25% 占空比表示輸出為輸入的四分之一，依此類推。
電感是核心儲能元件。電感電流峰對峰漣波為：ΔIL = (Vin − Vout) × D / (f × L)，其中 f 是以 Hz 表示的切換頻率，L 是以亨利表示的電感量。此漣波電流流過輸出電容及其等效串聯電阻 (ESR)，產生近似等於 ΔIL × ESR 的輸出電壓漣波。將漣波電流控制在平均輸出電流約 20–40% 是常見設計準則，可在電感尺寸與輸出雜訊之間取得平衡。
切換頻率是重要的設計取捨。較高頻率允許使用較小的電感與電容，降低轉換器的實體尺寸與成本。不過，MOSFET 與二極體中的切換損耗會隨頻率增加而上升，進而降低效率。許多應用常見頻率為 100 kHz 到 1 MHz。對於極高效率或高功率設計，可能更適合使用較低頻率（50–100 kHz）搭配實體尺寸較大的元件。
Buck 轉換器的效率主要受導通損耗（MOSFET 與電感中的 I²R）、切換損耗（電晶體每次導通與關斷時損失的能量）以及電感鐵芯損耗限制。採用低 RDS(on) MOSFET 的現代同步 Buck 轉換器可達到 95% 以上效率，在最佳化設計中有時可接近 99%。占空比也會影響效率：在遠離 50% 的占空比（非常高或非常低）下運作，通常會比中間範圍效率更低。
常見設計陷阱包括：選擇電感時未檢查其飽和電流（若電感飽和，輸出電壓會崩潰）、忽略輸出電容的 RMS 漣波電流額定值（過大漣波會造成電容發熱並提早失效），以及不良 PCB 佈局造成大型高頻電流迴路（導致 EMI 與效率損失）。實際且穩定運作時，占空比通常應維持在 10% 到 90% 之間。
Buck 轉換器設計範例
代表性設計，展示典型輸入/輸出電壓組合、切換頻率，以及對應的占空比與漣波值。
| 設計參數 | 占空比 | 應用 |
|---|---|---|
| Vin=24 V, Vout=12 V, f=100 kHz, L=100 μH, Iout=2 A, ESR=10 mΩ | D = 50% | 車用 24V 轉 12V。漣波電流 ≈ 0.6 A，輸出漣波 ≈ 6 mV。常用於由 24V 卡車電力系統供應 12V 電子設備。 |
| Vin=48 V, Vout=5 V, f=500 kHz, L=47 μH, Iout=1 A, ESR=5 mΩ | D ≈ 10.4% | 供微控制器與感測器使用的電池降壓。高切換頻率可使用小型 47 μH 電感，同時將輸出漣波維持在 10 mV 以下。 |
| Vin=400 V, Vout=24 V, f=50 kHz, L=1 mH, Iout=10 A, ESR=20 mΩ | D = 6% | 工業離線式電源供應器。低占空比需要謹慎設計 MOSFET 閘極驅動，以在非常短的導通時間內達成可靠切換。 |
| Vin=12 V, Vout=3.3 V, f=300 kHz, L=33 μH, Iout=0.5 A, ESR=8 mΩ | D ≈ 27.5% | 便攜裝置中 3.3 V 邏輯電路的電源軌，可由單節鋰離子電池組或 12 V 變壓器供電。 |
如何使用 Buck 轉換器計算器
- 輸入輸入電壓 (Vin)——轉換器可用的直流供應電壓——以及所需輸出電壓 (Vout)。對 Buck 拓撲而言，Vout 必須低於 Vin。
- 輸入以 Hz 表示的切換頻率（例如 100000 代表 100 kHz）。較高頻率可使用較小元件，但會增加切換損耗。
- 輸入以亨利表示的電感值（例如 0.0001 代表 100 μH）與以安培表示的負載電流。這些值決定電感漣波電流。
- 輸入輸出電容的 ESR（等效串聯電阻），單位為歐姆。這會直接設定輸出電壓漣波。
- 按一下「計算」以查看占空比、電感漣波電流、電感峰值電流、輸出電壓漣波與估算效率。調整參數，直到所有數值符合你的設計目標。
Buck 轉換器常見問題
Buck 轉換器的占空比是什麼？
占空比 D 是每個切換週期中主開關閉合（導通）的比例。在連續導通模式 (CCM) 下運作的理想 Buck 轉換器中，D = Vout / Vin。因此，由 24 V 輸入產生 12 V 輸出需要 50% 占空比。實務上，由於效率損耗，實際占空比會略高於理想值。
占空比過高或過低會發生什麼？
極高占空比（高於約 90%）會留下很少的關斷時間，使二極體或同步 MOSFET 難以導通並重置電感。極低占空比（低於約 10%）則需要非常短、難以可靠驅動的導通時間。兩種極端都會降低效率與穩定性。實際設計通常以 10% 到 90% 的占空比為目標。
切換頻率如何影響電感尺寸？
對於給定的漣波電流規格，所需電感量 L = (Vin − Vout) × D / (f × ΔIL)。切換頻率加倍，所需電感量就減半，反之亦然。因此較高頻率可使用更小、更輕的電感，這也是現代電源 IC 在數百千赫甚至兆赫運作的主要原因之一。代價是切換損耗增加。
什麼是輸出電壓漣波，如何降低？
輸出電壓漣波是疊加在直流輸出上的小幅交流變化。它主要由電感漣波電流流經電容 ESR 所造成：ΔVout ≈ ΔIL × ESR。若要降低漣波，可使用較低 ESR 的電容、增加電感量（降低 ΔIL），或提高切換頻率。陶瓷電容 ESR 很低，是低漣波設計的首選。
連續導通模式與不連續導通模式有何差異？
在連續導通模式 (CCM) 中，電感電流在切換週期內不會降至零。在不連續導通模式 (DCM) 中，電感電流會在下一次開關導通前降至零。本計算器假設 CCM，這是設計良好的轉換器在正常負載下最常見的運作模式。DCM 會出現在輕載時，並改變占空比/電壓關係。
Buck 轉換器與線性穩壓器相比效率如何？
在電壓差較大時，Buck 轉換器遠比線性穩壓器 (LDO) 高效。線性穩壓器會把所有多餘電壓以熱形式耗散，效率僅為 Vout / Vin（例如 12 V 轉 3.3 V 只有 27.5% 效率）。設計良好的 Buck 轉換器通常可達 85–98% 效率，幾乎不受電壓比影響，因此在散熱或電池續航重要時是首選。