Buck 電路是嵌入式 / 硬件設計中最常用的非隔離型 DC-DC 降壓轉換器，核心功能是將輸入高壓直流（Vin）轉換為更低的穩定直流輸出（Vout < Vin），廣泛應用於 STM32、MCU、傳感器、電源模塊等硬件設備中（如 5V 轉 3.3V 給單片機供電、12V 轉 5V 給 USB 設備供電）。

DC-DC Buck 電路（降壓轉換器）全面解析_低功耗

一、核心原理（通俗版 + 專業版）

1.Buck 電路類似 “高速開關 + 儲能濾波” 的組合：

  • 開關（MOS 管）快速通斷（頻率通常 10kHz~1MHz），將輸入電壓 “切” 成脈衝信號；
  • 電感（L）和電容（C）組成低通濾波器，將脈衝信號 “抹平” 為平穩的直流電壓；
  • 反饋電路實時監測輸出電壓，調整開關通斷時間（佔空比），保證輸出穩定。

2. 專業原理（理想狀態）

  • 導通階段（開關閉合）Vin 通過 MOS 管給電感 L 充電，電感儲存磁能，同時給電容 C 充電和負載供電，電流 IL 線性上升；
  • 關斷階段（開關斷開）電感釋放磁能，通過續流二極管（或同步整流 MOS 管）繼續給負載和電容供電，電流 IL 線性下降；
  • 穩定輸出條件導通時間內電感儲存的能量 = 關斷時間內釋放的能量，輸出電壓公式（理想）：
Vout = Vin × D  （D為佔空比，0 < D < 1，D = 導通時間T_on / 開關週期T）

例：Vin=12V，D=0.4，理想 Vout=4.8V。

二、核心組成部分（嵌入式硬件常用選型）

組件

作用

嵌入式場景選型建議

輸入電源（Vin）

提供高壓直流（如電池、適配器）

需預留紋波餘量（如 Vin=12V±10%）

開關管（Q1）

控制電路通斷（核心開關）

選用 MOS 管（如 N 溝道增強型，導通電阻 Rdson 小），如 AO3400（小電流）、IRF3205（大電流）

續流二極管（D1）

開關斷開時為電感電流提供迴路

肖特基二極管（正向壓降小、開關速度快），如 SS34（3A/40V）

電感（L）

儲能、濾波，抑制電流突變

功率電感（磁屏蔽型，避免干擾），值需計算（通常 1μH~100μH），如 CDRH127（10μH/3A）

輸出電容（Cout）

濾除輸出紋波，穩定輸出電壓

電解電容 + 陶瓷電容組合（電解電容儲能，陶瓷電容濾高頻紋波），如 100μF/16V + 0.1μF

反饋與控制 IC

調節佔空比，實現輸出穩壓

集成芯片（簡化設計），如 LM2596（經典非同步，3A 輸出）、MP2307（同步整流，2A，效率高）、TPS5430（工業級，3A）

負載（RL）

接收穩定輸出電壓的設備（如 MCU、傳感器）

需明確額定電壓、額定電流（如 STM32F103 需 3.3V/500mA）

三、關鍵參數與性能指標（硬件測試重點關注）

  1. 輸出電壓精度穩定負載下 Vout 與標稱值的偏差（如 ±2%），嵌入式場景需滿足 MCU 供電要求（如 3.3V±0.1V）；
  2. 效率（η）輸出功率 Pout 與輸入功率 Pin 的比值（η=Pout/Pin×100%），同步整流型 Buck（如 MP2307）效率可達 90%+，非同步（如 LM2596）約 75%~85%，低功耗場景優先選同步型；
  3. 輸出紋波（Vripple）輸出電壓的交流波動（通常 mV 級），嵌入式場景需控制在 50mV 以下（避免干擾 ADC、傳感器）；
  4. 最大輸出電流（Iout_max）芯片 / 電路能穩定供電的最大電流（如 LM2596 最大 3A，超過會觸發過流保護）；
  5. 開關頻率（f_switch）影響電感電容選型（頻率越高，電感電容體積越小，但開關損耗越大），常用 100kHz~500kHz。

四、工作模式（嵌入式場景常見類型）

1. 連續導通模式（CCM）

  • 電感電流始終大於 0（導通 + 關斷階段電流不中斷）；
  • 適用於大負載電流（Iout ≥ 最小連續電流 Iout_min），輸出紋波小、響應速度快；
  • 嵌入式場景（如 MCU、電機驅動）主流模式。

2. 斷續導通模式（DCM）

  • 關斷階段電感電流降至 0 後，開關才再次導通；
  • 適用於小負載電流（Iout < Iout_min），效率較低，紋波較大；
  • 低功耗場景（如傳感器休眠供電）需注意模式切換。

五、嵌入式硬件設計實戰（以 3.3V 輸出為例）

1. 經典方案：LM2596 非同步 Buck 電路（5V/12V 轉 3.3V）

關鍵元件選型

  • 輸入：Vin=5V 或 12V（如 USB 5V、12V 適配器）；
  • 芯片：LM2596-3.3（固定 3.3V 輸出，無需分壓電阻，簡化設計）；
  • 電感：10μH/3A（磁屏蔽功率電感）；
  • 二極管：SS34（3A/40V 肖特基）；
  • 電容：Cin=100μF 電解 + 0.1μF 陶瓷，Cout=100μF 電解 + 0.1μF 陶瓷。

硬件測試要點（嵌入式工程師必測項）

輸出電壓測量：空載 / 滿載（如 500mA 負載）時，Vout 應在 3.23V~3.37V（±2% 精度）；

  • 紋波測試：用示波器測 Vout（探頭接地夾就近接地），紋波應 < 50mVpp；
  • 效率測試：測量 Vin、Iin、Vout、Iout，計算 η=（Vout×Iout）/（Vin×Iin）×100%（滿載時應≥75%）；
  • 過流保護：短路 Vout，芯片應自動關斷，解除短路後恢復正常。

2. 高效方案：MP2307 同步 Buck 電路（12V 轉 3.3V，低功耗）

  • 同步整流設計（無續流二極管，用 MOS 管替代），效率可達 95%，適合電池供電的嵌入式設備（如便攜傳感器）；
  • 輸出電流最大 2A，紋波更小（<30mVpp）；
  • 電路設計與 LM2596 類似，核心區別是無需續流二極管，芯片集成同步 MOS 管。

六、嵌入式軟件適配（電源管理相關代碼示例）

Buck 電路輸出穩定後，需通過 MCU 軟件實現電源監測、保護等功能（以 STM32 為例）：

1. 輸出電壓監測（ADC 採集）

#include "stm32f10x.h"
// ADC初始化（採集Vout分壓後電壓）
void ADC_Init_Vout(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;

    // 使能GPIOA和ADC1時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

    // PA0配置為模擬輸入（採集分壓後的Vout）
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // ADC配置（單通道、單次轉換、12位分辨率）
    ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);

    // 使能ADC1
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    // ADC校準
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}
// 讀取Vout實際電壓（分壓比：R1=2.2kΩ，R2=10kΩ，Vout = ADC_Value × 3.3V × (R1+R2)/(R2×4096)）
float Get_Vout(void) {
    uint16_t adc_val;
    float vout;

    // 選擇ADC通道0，採樣時間55.5週期
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

    // 啓動ADC轉換
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

    // 等待轉換完成
    while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));

    // 讀取ADC值
    adc_val = ADC_GetConversionValue(ADC1);

    // 計算實際Vout（3.3V為STM32參考電壓）
    vout = adc_val * 3.3f * (12.2f / 10.0f) / 4096.0f;

    return vout;
}
// 主函數中使用
int main(void) {
    float vout;
    ADC_Init_Vout();

    while(1) {
        vout = Get_Vout();
        // 若Vout超出3.0V~3.6V範圍，觸發報警（如點亮LED）
        if(vout < 3.0f || vout > 3.6f) {
            GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // PC13點亮報警
        } else {
            GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        }
        delay_ms(500); // 每隔500ms監測一次
    }
}

2. 低功耗場景：Buck 電路休眠控制

// 當MCU進入休眠模式時，關閉Buck電路（通過GPIO控制芯片使能引腳）
void Buck_Power_Control(uint8_t enable) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    // 配置PB0為推輓輸出（控制LM2596的SHDN引腳）
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    if(enable) {
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 使能Buck電路（SHDN高電平）
    } else {
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 關閉Buck電路（SHDN低電平）
    }
}
// MCU休眠函數
void MCU_Sleep(void) {
    Buck_Power_Control(0); // 關閉Buck電路
    // 配置MCU進入深度休眠模式
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);
}

七、常見問題與排查（硬件測試避坑指南）

問題現象

可能原因

排查方法

輸出電壓為 0V

芯片未供電、使能引腳（SHDN）未拉高、保險絲熔斷

測量 Vin 是否正常、SHDN 引腳電壓（應≥2V）、更換保險絲

輸出電壓偏高 / 偏低

分壓電阻選型錯誤、電感電容未焊接、芯片損壞

核對分壓電阻值、檢查電感電容焊接、更換芯片

輸出紋波過大（>100mV）

電容容量不足、電感選型不當、接地不良

增加輸出電容（如並聯 220μF 電解）、更換更大電感、優化接地（單點接地）

芯片發熱嚴重

輸出電流超過額定值、散熱不良、開關頻率過低

降低負載電流、增加散熱片、調整芯片開關頻率

電路干擾 MCU / 傳感器

電感未屏蔽、佈線不合理

選用磁屏蔽電感、縮短開關管 - 電感 - 輸出電容的佈線長度

八、總結

Buck 電路是嵌入式硬件的 “電源基石”，核心優勢是結構簡單、效率高、輸出穩定，適配從低功耗傳感器到中功率 MCU 的各類供電需求。嵌入式工程師在設計時，需根據輸入電壓、輸出電壓、最大電流、效率要求選擇合適的芯片（如 LM2596 經典通用、MP2307 高效低功耗），搭配匹配的電感、電容、二極管，並通過硬件測試和軟件適配確保電源可靠性。