📘 第 85/120 單元｜⬇️ Buck 轉換器的工程直覺— Buck 不是「把電壓壓低」而已

— 而是：用電感把脈衝能量變成連續輸出，並用控制迴路在動態負載下守住 Vout

🎯 單元目標

完成本單元後，你將能夠：

1. 以「能量流向」理解 Buck 的 ON / OFF（不靠背公式）
2. 建立 duty、電感電流斜率、紋波、瞬態、效率的直覺關聯
3. 理解同步整流 vs 二極體整流差異與效率代價
4. 知道 Buck 最常出問題的地方：SW node、迴路面積、ringing、控制穩定性
5. 具備可落地的設計流程：選 fsw → 選 L → 選 Cout/ESR → 看 transient → 看 EMI → 看熱

🧭 一、先給一句話總結（超核心）

👉 Buck 的本質是一台「能量降階搬運機」：SW 把 Vin 切成脈衝，L 把脈衝轉成近似連續電流，C 把電流脈動轉成穩定電壓；控制器用 duty 讓輸出在負載變動時仍穩住。

🧑‍🎓初學者先讀：你只要記住這 5 句就夠了

1. Buck=切包裹：SW 一直 ON/OFF，把能量分批送出去。
2. 電感=限流斜率：iL 不會跳，只會「慢慢上、慢慢下」。
3. 電容=撐瞬態：負載突然吃電時，先靠 Cout 撐住 Vout。
4. duty=平均能量：ON 越久（duty↑），平均送出的能量越多，Vout 越高（但 < Vin）。
5. 真正難的是噪聲與EMI：SW node + 高 di/dt 迴路面積，決定你像不像天線。

👉 Buck = 用高速切換搬運能量，靠 L/C 把脈衝變成穩定輸出，靠控制迴路守住 Vout。

🧠 二、Buck 的最強直覺：你只要看懂 ON / OFF 兩張圖

典型 Buck（非同步：上管 MOSFET + 下管二極體）

Vin --[SW]--+---- L ----+---- Vout ---- Load
            |           |
           D|          C
            |           |
           GND         GND

2.1 ON 狀態：把 Vin 接到電感（充能）

• SW ON 時，電感左端接 Vin
• iL 上升（斜坡往上）
• 能量進入電感，也同時供應 Load + 充 Cout

ON:  Vin -> SW -> L -> (Load + Cout)
                iL 上升 / / / /

2.2 OFF 狀態：電感把能量吐給負載（放能）

• SW OFF 時，電感電流不能瞬間停
• 電感會「改變端點電壓」維持電流方向
• iL 下降（斜坡往下），電流走二極體（或同步下管 MOSFET）回到地

OFF:  L -> (Load + Cout) -> D(or low-side MOSFET) -> GND
      iL 下降 \ \ \ \

✅ Buck 的關鍵一句話：

👉 電感電流永遠是連續地上上下下，不是突然消失。

🧠 三、電感電流斜率：Buck 的「核心動力學」

你不用背推導，只要抓住：

• ON：iL 上升斜率由「Vin 與 Vout 的差」決定
• OFF：iL 下降斜率由「Vout」決定（本質是放能）

CCM 直覺圖：

iL
^     /\/\/\/\/\    (CCM 下不會碰到0)
|    /\/\/\/\/\/\
+------------------> t
     ON  OFF ON OFF

工程直覺：

• 👉 L 越大 → 斜率越平 → ripple 越小，但反應慢、體積成本高
• 👉 fsw 越高 → 每包能量更小 → ripple 可小、元件可縮，但 switching loss/EMI 更難

🧠 四、duty 與 Vout 的直覺關係（先理想，再講現實）

4.1 理想世界（直覺用）

👉 Vout ≈ D · Vin

• duty ↑（ON 更久）→ 平均送能量更多 → Vout ↑（但仍 < Vin）

SW波形：_|‾‾|_|‾‾‾‾|_|‾|_  (ON 變長 => duty ↑)

4.2 工程現實（一定要留 margin）

會讓 Vout「打折」的：

• MOSFET Rds(on)
• 二極體 Vf（非同步最痛）
• 電感 DCR、電容 ESR
• dead-time、開關損耗、寄生與控制延遲

👉 結論：別照理想硬算，要留 margin。

🧠 五、同步整流 vs 二極體整流：為什麼高電流一定用同步？

5.1 非同步 Buck（下方二極體）

優點：簡單、便宜、好做、好 debug

缺點：二極體 Vf 造成顯著損耗（低壓大電流特別慘） 👉 直覺損耗：P_diode ≈ Vf · Iout

5.2 同步 Buck（下方 MOSFET 取代二極體）

優點：用 Rds(on) 取代 Vf → 效率大幅提升

缺點：控制更複雜（dead-time、shoot-through 風險）、EMI 更敏感

Vin --[HS MOSFET]--+-- L -- Vout
                   |
               [LS MOSFET]
                   |
                  GND

工程直覺：

👉 輸出越低、電流越大，同步整流越值得。

🧠 六、Buck 的 4 個「工程痛點」（debug 最常踩雷）

1. SW node 是噪聲核彈：高 dv/dt、ringing、寄生耦合四射
   → 佈線要短、要隔離、能 shield/guard 就做
2. 高 di/dt 迴路面積決定 EMI
   關鍵高 di/dt 迴路（概念）： Cin → HS switch → LS switch/diode → GND → 回 Cin 👉 迴路越大越像天線，layout > 換更貴IC
3. Cout ESR 與補償互動
   低 ESR 很香，但可能讓補償假設失效 → ringing / 不穩
4. 輕載模式（PFM/skip）讓頻譜變亂
   → 低頻 spur、可聽噪聲、干擾敏感模組（RF/ADC/音訊）

🧠 七、Buck 的實務設計流程（可落地）

1. 定輸入/輸出/負載：Vin range、Vout、Iout step
2. 選控制模式：PWM / PFM / forced PWM（看噪聲需求）
3. 選 fsw：效率 vs EMI vs 元件尺寸
4. 選電感 L：先抓 ripple 約 20–40% Iout 當直覺起點
5. 選 Cout：以 transient 掉壓 + ripple 需求決定（含 ESR）
6. 看迴路穩定：補償、PM、負載範圍
7. layout：先縮高 di/dt 迴路，再處理 SW node 隔離
8. 驗證：效率、ripple、transient、EMI、熱點、corner

🧾 八、一句話記住本單元

👉 Buck 用 SW 切能量、L 平滑電流、C 平滑電壓；duty 決定平均能量；同步整流在低壓大電流決定效率；真正難的不是拓撲，而是 SW node 噪聲、EMI 迴路、瞬態與穩定性（補償/ESR/輕載模式）。

🔬 電子學實驗題（85/120）

實驗名稱

Buck 轉換器實務量測：SW node、電感電流斜坡、效率、紋波、瞬態與 EMI 直覺（完整強化版）

🎯 實驗目的

1. 量測三個核心波形：SW node、iL、Vout ripple
2. 比較同步/非同步 Buck（若可）在效率與熱點差異
3. 做 load step：觀察 undershoot/overshoot 與 recovery
4. 建立 EMI 直覺：高 di/dt 迴路面積與 SW node ringing 的影響

🧰 實驗器材

• Buck 模組（可調 Vout 更佳；有同步版更佳）
• Vin 電源（12V 或 5V）
• 電子負載（或電阻 + MOSFET 脈衝負載）
• 示波器（地彈簧必備；差動探棒更佳）
• 電流量測：電流探棒或 Rsense
• 溫度量測：溫度計/熱像儀（可選）
• 不同 Cout（電解 vs 陶瓷/聚合物）

🔧 實驗接線 圖

Vin -> [Buck] -> Vout -> Load
        |  |
       SW  Lout
        |
     (Scope)

iL 量測（Rsense 近似）：
Lout -> Rsense -> Vout
        |
      Scope量Vsense

🔧 實驗步驟（工程化且可 debug）

A) baseline 波形：SW / iL / Vout ripple

1. 固定 Vin、Vout、Iload（中等負載）
2. 量 SW node：看 overshoot、ringing、上升/下降沿
3. 量 iL：看斜坡與 ripple
4. 量 Vout ripple：看 Vpp 與尖峰

預期：

• SW：方波 + 尖峰 + ringing
• iL：斜坡波形
• Vout：小紋波疊尖峰

SW : _|‾|_|‾|_|‾|_  +  ringing ~~~

iL : /\/\/\/\/\/\

Vout: ____~____~____

B) 效率與熱點：同步 vs 非同步（若可）

1. 10%/50%/100% 負載量 η
2. 記 HS/LS 元件、電感溫升

預期：

• 非同步：大電流下效率較差、二極體熱
• 同步：效率高，但控制更敏感

C) load step：瞬態反應

1. 設 ΔI（例 0.2A → 1A）
2. 量 undershoot/overshoot、recovery time
3. 換 Cout（或加並聯陶瓷）觀察改善與 ringing

D) EMI 直覺：高 di/dt 迴路與 SW node 佈線

1. 找 Cin 與開關回路路徑
2. 在可行範圍縮短接線/改接地點
3. 觀察 SW ringing 與 Vout 尖峰變化

❓思考問題（5 題）＋解析

1. 為什麼 iL 是斜坡？
   → 電感抵抗 di/dt；ON 上升、OFF 下降但連續。
   
2. 為什麼 SW node 常有 overshoot/ringing？
   → 寄生 L/C 形成 RLC 共振；與迴路面積高度相關。
   
3. 為什麼同步整流在低壓大電流特別有用？
   → 二極體 Vf·I 損耗占比太大；MOSFET 用 Rds(on)·I² 降損耗。
   
4. 為什麼低 ESR 電容有時更「抖」？
   → 補償可能依賴 ESR 零點；ESR 太低→相位裕度下降。
   
5. Buck 的系統最大敵人是什麼？
   → 噪聲與 EMI：SW node 高 dv/dt + 高 di/dt 迴路造成耦合/輻射。

🧠 工程結論

Buck 的理解重點不是 Vout ≈ D·Vin，而是：

• 能量如何在 ON/OFF 搬運
• 噪聲與 EMI 如何生成與被控制
• 瞬態與穩定性如何被補償與驗證
  掌握這套視角，Boost / Buck-Boost 只是「同骨架不同方向」。