5.2 輸出電感
在開關電源功率級中，電感的作用是儲存能量。 由于電流流動，能量存儲在它們的磁場中。因此，定性地，電感器的功能通常是試圖保持恒定電流或有時限制電流的變化率。
通常選擇降壓功率級的輸出電感值以限制流過其中的峰峰值紋波電流。 在此過程中，確定了功率級的操作模式，連續或不連續。 電感紋波電流與施加的電壓和施加電壓的時間成正比，與其電感成反比。 這在前面已經詳細解釋過。
許多設計人員更喜歡自己設計電感器，但該主題超出了本報告的范圍。 然而，下面討論了選擇合適電感器的必要考慮因素。
除了電感之外，選擇電感時要考慮的其他重要因素是其最大直流或峰值電流和最大工作頻率。 在其直流電流額定值范圍內使用電感器對于確保它不會過熱或飽和很重要。 在低于其最大額定頻率的情況下操作電感器可確保不超過最大磁芯損耗，從而導致過熱或飽和。
磁性元件制造商提供各種適用于 DC/DC 轉換器的現成電感器，其中一些是可表面貼裝的。 有多種電感可供選擇； 最受歡迎的磁芯材料是鐵氧體和鐵粉。 線軸或棒芯電感器容易獲得且價格低廉，但在使用它們時必須小心，因為它們比其他形狀更容易引起噪聲問題。 如果體積足夠大，定制設計也是可行的。
由于電感的直流電阻，流過電感的電流會導致功耗； 功耗很容易計算。 由于施加在電感器上的交流電壓引起的磁通擺動，電感器的磁芯也會消耗功率，但制造商的數據表中很少直接提供此信息。 有時，電感器的最大工作頻率和/或施加的伏秒額定值可為設計人員提供有關磁芯損耗的一些指導。 功耗會導致電感溫度升高。溫度過高會導致繞組絕緣性能下降，還會導致磁芯損耗增加。 應注意確保不超過所有電感器的最大額定值。
電感器的損耗由下式給出：
其中，RCu 是繞組電阻。
5.3 開關管
在開關電源功率級中，電源開關的功能是控制能量從輸入電源到輸出電壓的流動。 在降壓功率級中，電源開關（圖 1 中的 Q1）在開關導通時將輸入連接到輸出濾波器，在開關關斷時斷開。電源開關必須在導通和輸出電感中傳導電流 關閉時阻止全輸入電壓。 此外，電源開關必須快速從一種狀態轉變為另一種狀態，以避免在開關轉換過程中產生過多的功耗。
本文中考慮的電源開關類型是功率 MOSFET。 其他功率器件也可用，但在大多數情況下，就成本和性能（考慮驅動電路時）而言，MOSFET 是最佳選擇。可用的兩種類型的 MOSFET 是 n 溝道和 p 溝道。 P 溝道 MOSFET 廣泛用于降壓功率級，因為驅動柵極比驅動 n 溝道 MOSFET 所需的柵極更簡單。
電源開關消耗的功率由下式給出：
其中，
tr 和 tf 是 MOSFET 導通和關斷開關時間
QGate 是 MOSFET 柵源電容
除了選擇 p 溝道或 n 溝道之外，在選擇合適的 MOSFET 時要考慮的其他參數是最大漏源擊穿電壓 V(BR)DSS 和最大漏電流 ID(Max)。
所選 MOSFET 的 V(BR)DSS 額定值應大于最大輸入電壓，并應為瞬變和尖峰增加一些裕量。 所選 MOSFET 還應具有至少兩倍于最大功率級輸出電流的 ID(Max) 額定值。 然而，很多時候這并沒有足夠的裕度，應該計算 MOSFET 結溫以確保不會超過它。 結溫可以估算如下：
其中，
TA 是環境溫度或散熱器溫度
RΘJA 是從 MOSFET 芯片到環境空氣或散熱器的熱阻。
5.4 續流二極管
當電源開關關閉時，捕捉整流器導通，并為電感電流提供路徑。 選擇整流器的重要標準包括：快速開關、擊穿電壓、額定電流、低正向壓降以最大限度地減少功耗，以及適當的封裝。 除非應用證明同步整流器的費用和復雜性是合理的，低電壓輸出的最佳解決方案通常是肖特基整流器。 擊穿電壓必須大于最大輸入電壓，并應為瞬變和尖峰增加一些裕度。 額定電流應至少為最大功率級輸出電流的兩倍（通常額定電流將遠高于輸出電流，因為功率和結溫限制決定了器件的選擇）。
處于導通狀態的二極管兩端的壓降是造成二極管損耗的主要原因。 二極管消耗的功率可以計算為二極管導通時間的正向電壓和輸出負載電流的乘積。 與導通損耗相比，從導通狀態轉換到非導通狀態時發生的開關損耗非常小，通常被忽略。
續流二極管消耗的功率由下式給出：
其中 VD 是二極管的正向壓降。
結溫可以估算如下：
6 總結
本應用報告描述并分析了降壓功率級的操作。 檢查了兩種操作模式，連續傳導模式和不連續傳導模式。 穩態和小信號是對降壓功率級進行的兩種分析。 同步降壓功率級和正向轉換器功率級作為基本降壓功率級的變體提出，并列出了一些其他可能的變體。
穩態分析的主要結果總結如下。
CCM 的電壓轉換關系為：
簡化為：
DCM 的電壓轉換關系為：
其中 K 定義為：
DCM電壓轉換關系可以簡化為：
小信號分析的主要結果總結如下。在 CCM 中運行的降壓功率級的小信號占空比到輸出傳遞函數由下式給出：
在 DCM 中運行的降壓功率級的小信號占空比到輸出傳遞函數由下式給出：
其中，
