— 「升壓/升降壓」不是魔法，而是：ON 時誰供負載？OFF 時能量往哪裡送？
🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 用 ON/OFF 能量流向直覺看懂 Boost 與 Buck-Boost（不靠背公式）
- 分辨 Boost vs Buck-Boost 的工程差異：極性、電流路徑、元件壓力、效率、EMI
- 理解為什麼 Boost 對輸入電流與 EMI 更敏感
- 理解「同步整流」在 Boost/Buck-Boost 的價值與風險
- 依系統需求（Vin 範圍、Vout、電流、極性、噪聲）選對拓撲
🧭 一、先給一句話總結
👉 Boost：ON 先讓電感從 Vin 充能（輸出先靠 Cout 撐），OFF 再把電感能量疊加到 Vin 上送到輸出，因此能升壓。👉 Buck-Boost：為了「能升也能降」，電流路徑更複雜；典型反相型會翻轉極性，而非反相型可同極性但元件與控制成本更高。
🧑🎓 初學者先讀：你只要記住這 6 句就夠了
- Boost 的 ON：輸出拿庫存（Cout 先撐著），電感在充電。
- Boost 的 OFF：電感把能量推到輸出，而且「電感電壓會抬高」→ 跟 Vin 疊加。
- 所以 Boost 的升壓本質是：先存能，再把能量加在 Vin 上送出。
- Buck-Boost 是為了 Vin 可能高於/低於 Vout 都要穩，所以要更複雜的路徑控制。
- Boost 更吵的原因常在輸入端：它更像「脈衝吸電」，Cin 與輸入迴路壓力大。
- 同步整流=更高效率，但控制更危險（shoot-through、dead-time、EMI）。
一句話白話版：
👉 Boost：ON 存、OFF 推（疊加 Vin）；Buck-Boost：為了升降壓付出更高複雜度。
🧠 二、Boost 的最強直覺：ON 時負載其實「吃庫存」
典型 Boost（非同步）
Vin --- L ---+---->|----+---- Vout ---- Load
| D |
SW C
| |
GND GND
2.1 ON：電感充能，二極體反偏，負載靠電容
- SW ON：電感右端被拉到 GND
- 電感兩端看到 Vin → iL 上升（充能）
- 因 Vout > Vin，二極體 D 反偏 → 輸出與輸入隔離
- 負載主要靠 Cout 供電（吃庫存）
ON：
Vin -> L -> SW -> GND (電感充能，iL 上升 / / /)
Cout -> Load (輸出靠電容撐)
2.2 OFF：電感放能，電感電壓「抬高」推過二極體
- SW OFF：iL 不能瞬停 → 電感會抬高右端電壓
- 使得 (Vin + VL) > Vout
- 電感能量經二極體送到 Cout + Load
👉 升壓的來源：把放能時的電壓“疊加”到 Vin
OFF：
Vin + (電感抬高的電壓) -> D -> (Cout + Load)
iL 下降 \ \ \
✅ Boost 一句話：
👉 ON 存能、OFF 疊加 Vin 推到輸出，所以 Vout > Vin。
🧠 三、Boost 的工程特性：為何更敏感、更吵、更吃輸入？
3.1 輸入電流更脈動 → Cin/輸入源/EMI 壓力更大
工程後果：
- 輸入源（電池/USB/前級）感到更強脈衝
- Cin、輸入濾波、佈線阻抗更關鍵
- EMI/EMC 更難
👉 所以 Boost 很常見「輸入端 decoupling 不能省」。
3.2 元件壓力：SW 與 D 常承受更高電壓
Boost 開關與二極體常面對接近 Vout 的電壓壓力（比 Buck 更常見）。
3.3 升壓越多，瞬態越緊張
因 ON 時輸出靠 Cout，若負載突增：
- Vout 掉更明顯
- 迴路要更快回補
🧠 四、Buck-Boost：兩大派別（先問「極性」）
你看到 Buck-Boost，先問：輸出極性要不要跟輸入同向？
4.1 反相 Buck-Boost（最典型）
特性：
- 可升也可降（|Vout| 可大可小）
- 輸出極性反相（負電壓）
- 架構相對簡單
概念骨架：
Vin -> L -> SW -> GND
|
D -> Cout -> (-Vout) -> Load
直覺：
👉 能量搬到輸出電容時「參考點翻了」，所以輸出變負。
4.2 非反相 Buck-Boost（更實務：同極性）
常見拓撲：
- 4-switch buck-boost（兩顆半橋）
- SEPIC（同極性升降壓，但元件多）
- Ćuk（依配置可同/反相）
工程直覺：
👉 同極性升降壓 = 元件更多、控制更難、EMI 更敏感，但系統更好用。
🧠 五、Boost vs Buck-Boost：用「系統需求」選型
5.1 只需要升壓 → 選 Boost
例：
- 3.7V 電池 → 5V USB
- 5V → 12V（小功率）
- LED 串驅動（常見升壓恆流）
5.2 需要升降壓 → 選 Buck-Boost
例：
- 電池 2.7~4.2V，但要穩定 3.3V
- 車載 9~16V，但要穩定 12V/5V
- Vin 可能高於或低於 Vout 都要工作
直覺：
👉 「輸入會跨過輸出」的系統，Buck 或 Boost 單獨都不夠用。
5.3 要同極性且高效率 → 常用 4-switch buck-boost
代價：
- 控制複雜、元件多
- EMI 要更仔細設計
🧠 六、同步整流在 Boost/Buck-Boost 的意義
6.1 為什麼值得
二極體損耗約：Vf · I
同步整流用 MOSFET 取代二極體 → 效率明顯提升
6.2 為什麼危險
- 時序錯 → shoot-through
- dead-time 不佳 → body diode / 反向恢復 → EMI 與損耗
👉 同步化是效率工程，也是控制與可靠度工程。
🧾 七、一句話記住本單元
👉 Boost：ON 存能、OFF 把電感能量疊加到 Vin 推到輸出，所以升壓；Buck-Boost：為了升降壓與極性需求付出更高元件與控制成本。Boost 對輸入脈動與 EMI 更敏感；升壓越多，瞬態與元件壓力越嚴苛。
🔬 電子學實驗題（86/120）
實驗名稱
Boost vs Buck-Boost 實務比較：能量流向、輸入脈動、瞬態掉壓、效率與噪聲特性（完整強化版）
🎯 實驗目的
- 比較 Boost 與 Buck-Boost 在相同輸出功率下的：
- 輸入電流脈動（Cin 壓力）
- 輸出紋波與頻譜
- 負載瞬態（Vout 掉壓）
- 效率與熱點
- 驗證 Boost 核心直覺：ON 時輸出靠 Cout 撐、OFF 時電感推到輸出
- 建立選型觀：何時 Boost 足夠、何時必須 Buck-Boost
🧰 實驗器材
- Boost 模組（Vin=3~5V → Vout=5/12V）
- Buck-Boost 模組（可調更佳；反相型也可）
- Vin 電源（電池或可調 DC）
- 電子負載（或電阻 + MOSFET 做 load step）
- 示波器（短地彈簧；差動探棒更佳）
- 電流量測：電流探棒或 Rsense
- 溫度量測：熱像儀/溫度計（可選）
🔧 實驗接線圖
Boost 測試
Vin ──> [ Boost ] ──> Vout ──> Load
│ │
SW L
Buck-Boost 測試
Vin ──> [ Buck-Boost ] ──> Vout ──> Load
│ │
SW L
輸入端脈動觀察（Cin 端）
Vin ── Cin ── Converter
│
(Scope 看 Vin 端紋波/尖峰)
🔧 實驗步驟
A) 固定輸出功率，比較效率與溫升
- 設定同一 Pout（例：5V×0.5A=2.5W）
- Boost、Buck-Boost 分別達成
- 量 Pin、Pout、η
- 記錄熱點（開關、二極體/同步管、電感）
📊 預期：元件越多/路徑越長 → 損耗可能更高；同步化可提升效率但更難控。
B) 觀察輸入端脈動：Boost 通常更敏感
在 Cin 附近量 Vin 紋波/尖峰，比較兩者（同 Pout）。
📊 預期：Boost 更容易看到 Vin 端尖峰/紋波（視模組與 layout）。
C) 負載瞬態：看「ON 時輸出靠 Cout」的代價
- 設 load step（例：100mA→500mA）
- 量 undershoot、recovery time
- 更換 Cout（大/小、低 ESR/一般）比較
📊 預期：Boost 在負載突增時更可能掉壓明顯（依設計）；加大 Cout 常改善但可能改變迴路特性。
D) SW node 觀察：噪聲與 ringing 來源
量 SW node 波形，觀察 dv/dt、ringing；在可行範圍縮短回路，觀察改善。
❓思考問題（5 題）＋解析
- 為何 Boost ON 期間輸出靠 Cout？
→ ON 時 D 反偏，輸出與輸入隔離，能量尚未送到輸出。 - 為何 Boost 對輸入 decoupling 更敏感？
→ 輸入脈動更強，Cin+輸入迴路阻抗把脈動轉成噪聲尖峰。 - 為何 Buck-Boost 常比 Boost 複雜？
→ 要升也要降（甚至同極性）需要更多開關與路徑控制。 - 同步整流為何提升效率？
→ MOSFET 的 Rds(on)·I² 取代二極體 Vf·I。 - 為何升壓更容易瞬態掉壓？
→ ON 時輸出供能較「間歇」，負載突增先吃 Cout 庫存。
🧠 工程結論
Boost vs Buck-Boost 的差別不在名字，而在 能量搬運時序：
- Boost：先存能，後疊加 Vin 推到輸出（升壓）
- Buck-Boost：為了升降壓（與極性需求）付出更多元件與控制成本
抓住 ON/OFF 能量流向，你就能快速預判 效率、瞬態、EMI 的難點。
