EPIPHANY LUCKY

Power electronics / Lesson 01

从开关与电感开始，
理解 Buck 降压。

为什么开关不停切换，输出却能保持在较低的电压？本课以视频中的同步 Buck 案例为背景，从两种电流路径出发，走到占空比和电感纹波的第一步计算。

01 / 硬件并线先理解理想模型结合原视频学习
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01 / 目标

本课学会解释什么？

Buck 是常用的直流降压拓扑。本课先看能量和电流路径，再使用公式。学完后，你应当能够：

  • 辨认上管、下管、开关节点、电感与输入输出电容的位置。
  • 说出上管导通与下管导通时，电感电流如何变化。
  • 说明公式 D = VOUT / VIN 依赖的理想稳态条件。
  • 根据电感量、频率与电压，估算一个周期内的电流纹波。
建议先备知识

了解电压、电流、功率与电感的基本作用；遇到不熟悉的器件，可以回到 元器件基础。本页的数字计算用于理解，并非完整工程设计。

02 / 视频案例

先认识这个学习案例

本课参考 B 站作者博途中的琴弦的 《开关电源入门必看！全网最详细的 Buck 电路完整设计》↗。视频官方简介列出：输入 18–30 V、输出 12 V / 5 A、开关频率 20 kHz；案例为同步 Buck，涉及 220 µH 电感、两只 2200 µF 电容、IRF3205、隔离驱动与 STM32F103。

这些是视频简介中提供的案例信息；器件实际接法、额定值、驱动和控制细节应回看原视频与原始资料核对。本页下方的 24 V 工作点、占空比和纹波是本站使用理想模型计算的练习，不是视频逐字字幕，也不是板上实测。

看待波形：视频简介说明负载突变曲线是平均模型仿真，并将相关波形、伯德图和阶跃响应作为示意。示意和仿真可以帮助理解；真实电路是否稳定、纹波和温升是否达标，需要具体设计与实测证明。
03 / 结构

先找到五个关键位置

下面是为理解电流路径而简化的功率级示意。方框 QH、QL 代表可控开关；真实 MOSFET 的体二极管、驱动、反馈、保护和寄生参数没有画出。

手机上可以横向滑动图示，查看完整连接。

同步 Buck 功率级简化连接图输入经上管到开关节点，开关节点经电感到输出。下管从开关节点接地，输入电容接在输入和地之间，输出电容与负载并联在输出和地之间。 VINQHSW电感 LQLCINCOUT负载VOUTGND / 共地
QH：上管
接通时把输入侧接到 SW，控制输入能量进入电感的时间。
QL：下管
在合适时刻提供续流路径。用受控 MOSFET 承担续流称为同步整流；真实电路还要处理切换过渡。
SW 与 L
SW 是切换电压的节点。电感电流不能瞬间跳变，它在两个状态中分别上升或下降。
CIN、COUT 与负载
输入电容为开关电流回路提供就近储能；输出电容与电感一起降低输出纹波，并在负载变化时参与供能。
04 / 电流路径

一个周期里的两个主要状态

先假设电路处于稳态、理想元件、连续导通模式（CCM）：输入与输出电压在一个开关周期内近似不变，电感电流始终大于零；忽略导通损耗、死区与切换过渡。本模型不代表所有轻载工况。

STATE A / 上管导通

QH 开，QL 关

主要电流从输入经 QH、L 流向输出与负载，再经地回到输入。此时 SW 近似为 VIN，电感两端电压约为 VIN − VOUT。只要 VIN 高于 VOUT，电感电流上升。

STATE B / 下管导通

QH 关，QL 开

主要续流路径从地经 QL、L 流向负载，再回到地。此时 SW 近似为 0 V，电感两端电压约为 −VOUT；电感继续向输出送能，但电流下降。

两管不能同时形成从输入到地的直通路径。实际驱动会安排死区和过渡，死区内电流可能经 MOSFET 体二极管续流；驱动时序、损耗与保护需要依据具体器件和驱动方案另行设计。

理解电感的方向：我们把电感电压定义为左端 SW 电压减右端 VOUT，把电流正方向定义为从 SW 流向输出。下面的上升、下降和公式都使用这一约定。
05 / 电压

占空比为什么与输出电压有关？

设一个周期为 T，上管导通时间为 tON。占空比是 D = tON / T。在上述理想稳态模型里，一个完整周期结束后，电感电流回到周期起点，所以电感两端的平均电压为零。

上管导通时：电感电压约为 VIN − VOUT，持续 D × T
下管导通时：电感电压约为 −VOUT，持续 (1 − D) × T

D × (VIN − VOUT) + (1 − D) × (−VOUT) = 0
整理得到：D = VOUT / VIN

如果本站练习选用输入 24 V、目标输出 12 V，理想占空比为 12 / 24 = 0.5，即 50%。如果频率为 20 kHz，周期 T = 1 / f = 50 µs，理想上管导通时间为 25 µs。

公式的边界

这是理想、稳态、连续导通且忽略损耗和过渡的关系。实际占空比还受导通压降、控制方式、死区、负载与工作状态影响；不能仅凭 50% 占空比断言真实输出就是 12 V。

06 / 电流

算一算电感电流上下摆动多少

理想电感满足 vL = L × Δi / Δt。在上管导通期间，把电感电压视作近似恒定，可以改写成 Δi = vL × Δt / L。这里的 ΔiL 是从最低点到最高点的峰峰值。

VIN = 24 V，VOUT = 12 V
f = 20 kHz，L = 220 µH，D = 0.5
T = 1 / f = 50 µs，tON = 25 µs

ΔiL ≈ (VIN − VOUT) × tON / L
     = 12 V × 25 µs / 220 µH
     ≈ 1.36 A（峰峰值）

这个结果说的是一个周期内电感电流的摆幅，并不是输出电压纹波，也不是电感的额定电流。如果同一理想工作点的平均输出电流为 5 A，输出电容平均电流为零，电感平均电流约为 5 A；三角波近似下，电感电流约在 4.32 A 与 5.68 A 之间变化。

上述下限大于零，与所假设的 CCM 相符。轻载时不能直接沿用这一结论：某些控制器会跳脉冲或采用二极管仿真并可能进入断续导通；强制连续工作时还可能出现反向电感电流。实际模式须查控制器资料和测量。

选电感还要看什么？峰值电流关系到饱和电流，均方根电流、直流电阻与磁芯损耗关系到发热。上述理想估算还未包含元件误差、启动、过载和瞬态，不能单独作为选型结论。
07 / 后续

从公式走向真实电路，还要补什么？

部分本课先认识后续核对
功率 MOSFET 与驱动上、下管切换和续流。VDS、实际栅压下的导通电阻、栅电荷、死区、驱动供电与温升。
电感与电容电感电流摆动；电容平滑电压。饱和与温升电流、DCR、损耗、耐压、有效电容、ESR 和纹波电流。
采样与控制占空比会影响能量传递。反馈采样、控制算法、补偿与负载瞬态，结合具体方案分析稳定性。
保护与 PCB电流必须有完整回路。输入范围、限流和故障保护、开关电流回路、布局、散热与测试点。

视频案例中的型号与数值适合用于阅读和讨论；选择器件时应核对该型号数据手册、最坏工况及完整电路。后续课程再逐步展开驱动、控制、保护和布局，不把这张简化图当作可直接制板的原理图。

08 / 练习

先写出自己的答案，再展开检查

LEVEL 01 / 电流路径

下管导通时电感还在做什么？

在上管关、下管开且电感电流为正时，说明电流从哪里经过电感和负载，电感电流是上升还是下降。

查看参考答案

续流路径从地经下管、L、负载再回到地；理想情况下 SW 约为 0 V，电感电压约为 −VOUT，电流下降，但电感仍向输出供能。

LEVEL 02 / 占空比

输入改成 30 V，会怎样？

在理想稳态 CCM 假设下，输出仍为 12 V。求占空比；与 24 V 输入时的结果比较。

查看参考答案

D = 12 / 30 = 0.4，即 40%。在该模型中，输入升高而输出目标不变，占空比从 50% 降到 40%。实际电路仍要核对控制与损耗。

LEVEL 03 / 单位

解释 1.36 A 是什么

用自己的话解释峰峰值，并写出在平均电感电流 5 A、三角波近似下的峰值。为什么它不能直接替代电感选型？

查看参考答案

1.36 A 是电感电流最低到最高的差值；峰值约为 5 + 1.36 / 2 = 5.68 A。选型还需考虑容差、瞬态、饱和与温升等实际条件。

09 / 完成标准

能画、能算，也能说清条件

  1. 不看图画出 QH、QL、SW、电感和输出的大致位置，并标出两种主要电流路径。
  2. 解释电感电流为何在两个状态分别上升、下降。
  3. 独立计算 24 V → 12 V 的理想占空比，以及 20 kHz 时的周期和导通时间。
  4. 说出 1.36 A 是峰峰值，并说明真实选型还需要哪些资料。
下一步

看完降压后，可以进入同步 Boost 入门，比较电感位置、开关状态和输入输出关系。

资料

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B 站公开接口未返回字幕；本页参考作者公开简介，并对视频 00:00–05:00 的音轨做自动语音识别，以 TI 资料补充原理。自动识别可能有误，本页尚未覆盖完整视频，也不代表实物性能验证。公式和算例为站内讲解。