崑 山 科 技 大 學

電 機 工 程 系

降昇壓式轉換器之分析、設計與研製

Design and Development of the buck-boost converter

指導教授：楊松霈 老師

專題組員：潘紘業 學號:4980J010

中華民國 102年 1月

i

降昇壓式轉換器之分析、設計與研製

潘紘業

崑山科技大學電機工程系

摘要

世界各國在討論能源危機之際，除了開發新的能源來源，另一方面則必需減

少電子產品的能源損耗，而綠色能源也越來越被重視，目前轉切換式電源供應器

扮演一個舉足輕重的角色。其被廣泛應用在電腦相關產品、通訊系統、軍事與航

太、醫療設備跟其他各類電子儀器方面，且近年來功率半導體，控制電路與被動

元件的進步快速，使得切換是電源供應器可以大量生產，有體積小、效率高、重

量輕等優點。

本專題主要是研究降昇壓式轉換器，經由電路分析、元件設計後，再以

模擬與實作驗證理論推導之正確性，此外，為使輸出電壓穩壓不受負載變動與輸

入電壓變動之影響，亦量測轉換器之小信號數學模式以設計穩壓控制器。藉由上

述一系列的學習，瞭解切換式轉換器的基礎知識，進而有助於未來朝相關領域發

展。

ii

誌謝

本論文承蒙恩師楊松霈教授的指導，在研究過程中碰到一些的困難

適時給予鼓勵與建議，且不時的傳授一些相關知識，也時時提點我研

究的進度，在老師專業領域中常常與學術界作交流，掌握新的學術方

向，將理論與生活做結合，以及運用深入淺出的觀念讓我快速的了解

專業的核心與未來發展的脈動，恩師對我來說是一種崇高的指標與理

想。

另外還要感謝研究室的團隊，劉冠宏、楊孟佳、江勝祥、瞿偉軒、

施傑瀧學長們，以及林文彬、施宇軒、陳冠合同學，由於您們在實驗

上或是生活中熱心的幫助，讓我們的專題得以順利完成，在此由衷的

感謝您們。

iii

目錄

摘要 ................................................................................................................ i

誌謝 ............................................................................................................... ii

目錄 .............................................................................................................. iii

圖目錄 ......................................................................................................... vii

表目錄 .......................................................................................................... ix

第一章 序論 ................................................................................................. 1

1-1 研究背景 ...................................................................................... 1

1-2 論文章節簡介 .............................................................................. 1

第二章 降昇壓式轉換器電氣規格 ............................................................. 3

2-1 電路動作分析................................................................................ 4

2-2 相關公式推導................................................................................ 6

2-2-1 公式推導-D 的設計 ........................................................... 6

2-2-2 公式推導-L 的設計 ........................................................... 9

2-2-3 公式推導-C 的設計 ......................................................... 10

第三章 降升壓轉換器 ............................................................................... 11

3-1 元件設計與選擇 ......................................................................... 11

3-1-2 二極體選擇: ................................................................... 12

iv

3-2 IsSpice 模擬電路圖與實作波形驗證....................................... 13

3-2-1 vgs 、Vs、Vo模擬與實作波形驗證 .............................. 14

3-2-2 vgs 、vL、iL模擬與實作波形驗證 ............................... 15

3-2-3 vgs、vds、 ids模擬與實作波形驗證 .............................. 16

3-2-4 vgs 、vD、iD模擬與實作波形驗證 ............................... 17

3-3 開迴路系統的缺點 ..................................................................... 18

3-3-1 輸入電壓變動之輸出電壓響應 ...................................... 18

3-3-2 負載變動之輸出電壓響應 ............................................... 18

第四章 穩壓控制器設計 ........................................................................... 19

4-1 閉迴路系統之控制器設計 ......................................................... 19

4-2 Type Ⅱ控制器設計步驟 ............................................................ 20

4-3 系統架構圖-轉移函數量測 ........................................................ 20

4-4 Curve fitting ............................................................................... 21

4-5 轉移函數的極點與零點位置 ..................................................... 21

4-6 控制器設計 .................................................................................. 22

4-7 Type Ⅱ控制器之設計 ............................................................. 23

4-7-1 決定 K 的因數 ................................................................. 23

4-7-2 R1、R2之選擇................................................................ 23

4-7-3 元件 C1、C2 設計 ........................................................... 24

v

4-8 控制器 C(s)之頻率響應圖.......................................................... 24

4-9 總開迴路 TOL(s)轉移函數之頻率響應 .................................... 25

第五章 實作成果 ....................................................................................... 26

5-1 閉迴路系統測量........................................................................... 26

5-1-1 輸入電壓變動之輸出電壓響應 ....................................... 26

5-1-2 負載變動之輸出電壓響應 .............................................. 28

5-2 開迴路系統與閉迴路系統對照 .................................................. 30

第六章 PCB 面板製程 .............................................................................. 32

6-1 PCB 製作流程 .............................................................................. 32

6-2 功率級電路 .................................................................................. 38

6-3 控制器電路 .................................................................................. 39

第七章 心得與結論 ................................................................................... 40

第八章 參考文獻 ....................................................................................... 41

vii

圖目錄

圖 2-1 降昇壓式轉換器電路圖 .................................................................. 3

圖 2-2 第一階段等效電路 .......................................................................... 4

圖 2-3 第一階段波形................................................................................... 4

圖 2-4 第二階段等效電路 .......................................................................... 5

圖 2-5 第二階段波形................................................................................... 5

圖 2-6 磁化電流波形................................................................................... 6

圖 2-7 電感電流波形................................................................................... 9

圖 2-8 電容器電流波形............................................................................. 10

圖 3-1 開關 IRF640 datasheet ................................................................... 12

圖 3-2 二極體 MUR1640CT datasheet ..................................................... 12

圖 3-3 IsSpice 降升壓轉換器模擬圖 ...................................................... 13

圖 3-4 vgs 、Vs、Vo模擬圖 ..................................................................... 14

圖 3-5 vgs 、Vs、Vo實作圖 ..................................................................... 14

圖 3-6 vgs 、vL、iL模擬圖 ...................................................................... 15

圖 3-7 vgs 、vL、iL實作圖 ...................................................................... 15

圖 3-8 vgs、vds、 ids模擬圖 .................................................................... 16

圖 3-9 vgs、vds、 ids實作圖 .................................................................... 16

viii

圖 3-10 vgs 、vD、iD模擬圖 ................................................................... 17

圖 3-11 vgs 、vD、iD實作圖 ................................................................... 17

圖 3-12 開迴路系統電壓變動波形圖 ...................................................... 18

圖 3-13 開迴路系統負載變動波形圖 ...................................................... 18

圖 4-1 控制器設計方塊圖 ...................................................................... 19

圖 4-2 系統架構圖-轉移函數量測 ......................................................... 20

圖 4-3 Curve fitting ..................................................................................... 21

圖 4-4 G(s)頻率響應圖 .............................................................................. 21

圖 4-5 G(s)頻率響應圖 .............................................................................. 22

圖 4-6 C(s)之頻率響應圖 ........................................................................... 24

圖 4-7 TOL(s)之頻率響應圖 ....................................................................... 25

圖 5-1 耦合 DC 電壓變動 29V→34V .................................................... 26

圖 5-2 耦合 DC 電壓變動 34V→29V .................................................... 26

圖 5-3 耦合 AC 電壓變動 29V→34V .................................................... 27

圖 5-4 耦合 AC 電壓變動 34V→29V .................................................... 27

圖 5-5 耦合 DC 負載變動 30W→50W .................................................. 28

圖 5-6 耦合 DC 負載變動 50W→30W .................................................. 28

圖 5-7 耦合 AC 負載變動 30W→50W .................................................. 29

ix

圖 5-8 耦合 AC 負載變動 50W→30W .................................................. 29

圖 5-9 開迴路系統耦合 DC 電壓變動 24V→29V .................................. 30

圖 5-10 閉迴路系統耦合 DC 電壓變動 29V→34V ................................ 30

圖 5-11 開迴路系統耦合 DC 負載變動 30W→50W .............................. 31

圖 5-12 閉迴路系統耦合 DC 負載變動 30W→50W .............................. 31

圖 6-1 PCB 製作流程 ................................................................................. 32

圖 6-2 印刷電路(a)、(b) ........................................................................... 33

圖 6-3 曝光機 ............................................................................................. 34

圖 6-4 顯影劑步驟 ..................................................................................... 35

圖 6-5 蝕刻液 ............................................................................................. 36

圖 6-6 鑽頭工具(a)、(b) ........................................................................... 37

圖 6-7 功率級電路圖................................................................................. 38

圖 6-8 控制器電路圖................................................................................. 39

表目錄

表 2-1 降升壓電氣規格................................................................................ 3

表 3-1 為電氣規格 ...................................................................................... 11

表 3-2 代入 IsSpice 的電氣規格與元件參數 ........................................... 13

表 4-1 控制器元件值................................................................................. 24

1

第一章 序論

1-1 研究背景及動機

在綠能產業發展的趨勢下，走向再生能源系統取代傳統天然能源耗

用已為全球產業發展大勢之所趨從全球綠能相關的資源投入來看，風

力發電與太陽光電的投入仍將是再生能源領域的發展主流，降升壓轉

換器可以應用在太陽能方面上。透過電力電子技術對電能的處理，可

使電能的使用達到合理、高效和節約，實現了電能使用最佳化，因此

在各國倡導節能減碳的趨勢下，成為日益重要的產業發展項目之一。

電力電子產業的發展，不僅是自動化、國防、航太、運輸、能源以及

環保工業發展的基礎，更由於其具備技術整合之特性，透過電力電子

技術與微電子技術的結合，將主導未來科技之發展，因此在歐洲、美

國、日本等先進國家，甚至近年來經濟發展急起直追的中國大陸，均

將電力電子視為下一波科技競爭的焦點產業。

降升壓是利用一開關、二極體、LC 低通濾波器組合而成。再利用

PWM 調變，來控制開關的工作週期。為了能控制在我們所要求輸出的

設計了穩壓控制器。

1-2 論文章節簡介

第一章節

2

是本論文的簡介、研究背景及研究方法。

第二章節

降升壓電路動作分析及相關公式推導

第三章節

元件設計選擇及 IsSpice 模擬電路圖與實作波形驗證

第四章節 穩壓控制器設計

第五章 實作成果

閉迴路系統測量及開迴路系統與閉迴路系統對照

第六章 PCB 面板製程

PCB 製作流程

3

第二章 降昇壓式轉換器電氣規格

Vs

+

-

Vo

+

-

+

-

圖 2-1 降昇壓式轉換器電路圖

輸入電壓 Vs 輸出電壓 Vo 輸出功率 Po 切換頻率 fsw 漣波比 △Vo/Vo 操作模式

24 V -12 V 50 W 50 kHz <1% CCM

表 2-1 降升壓電氣規格

此電路稱為 Buck-Boost 轉換器或稱降升壓轉換器。降升壓轉換器

之輸出電壓的大小可以小於或大於於電源電壓，端視開關的責任週期

而定。如果 D > 0.5，則輸出電壓便會大於輸入電壓；而如果 D < 0.5，

則輸出電壓便會小於輸入電壓。因此，此電路組合了降壓型與升壓型

轉換器之能力。然而，在某些應用中，輸出電壓極性相反可能是該轉

換器的缺點。

要注意的是，在降升壓型轉換器中，電源並不會直接連接至負載。

當開關閉合時，將能量儲存於電感器中；而當開關閉合時，則將能量

轉送至負載，因此降升壓型轉換器也稱間接(indirect)轉換器。

4

2-1 電路動作分析

階段一:

當開關閉合時，跨於電感器上的電壓為

。電感電壓跨正電壓，

電感器電流直線遞增。先前的方程式可以表示為

求解開關

閉合時的 ，得到

。

VsVo

+

-

+

-

CiSL Vv

+

-

Ci

圖 2-2 第一階段等效電路

圖 2-3 第一階段波形

t

t

t

Li

gsv

Lv

SV

OV

5

階段二: 開關斷開時，電感器電流不能瞬間改變，致使二極體具有順

向偏壓，並且產生流進電阻器與電容器的電感器電流。在此一條件下，

跨於電感器上的電壓為

。再次，電感器電流改變的速率為

固定，且電流對時間之變動量為

-

。求解 ，得

-

。

VsVo

+

-

+

-

CioL Vv

+

-

圖 2-4 第二階段等效電路

圖 2-5 第二階段波形

t

t

t

Li

gsv

Lv

SV

OV

6

2-2 相關公式推導

分析前先做以下的假設:

1. 電路操作於穩態。

2. 電感器電流為連續模式。

3. 電容器相當大，足以假設輸出電壓為定值。

4. 開關閉合的時間為 DT，而斷開的時間為(1-D)T。

5. 元件皆為理想。

2-2-1 公式推導-D 的設計

vgs

vL

Vs

Vo

A

B

DT T

t

t

圖 2-6 磁化電流波形

7

開關閉合之分析

當開關閉合時，跨於電感器上的電壓為

(2-1)

(2-2)

電感器電流改變的速率固定，表示直線遞增的電感器電流。先前的方

程式可以表示為

(2-3)

求解開關閉合時的 ，得到

(2-4)

開關斷開之分析

開關斷開時，電感器電流不能瞬間改變，致使二極體具有順向偏壓，

並且產生流進電阻器與電容器的電感器電流。在此一條件下，跨於電

感器上的電壓為

(2-5)

(2-6)

再次，電感器電流改變的速率為固定，且電流對時間之變動量為

-

(2-7)

8

求解 ，

-

(2-8)

對穩態操作而言，電感器電流在一個週期內之淨變化量必為零。使用

方程式

(2-9)

-

(2-10)

求解 ，

-

- (2-11)

特定輸入與輸出電壓所需的責任週期可以表示為

(2-12)

9

2-2-2 公式推導-L 的設計

vgs

t

t

TDT

L

sVLi

LI

LΔi

圖 2-7 電感電流波形

由操作模式為連續導通模式（CCM）得知 L(選)>Lmin。 連續導通模式

之電感電流必須保持為正。為了判斷連續電流與不連續電流之間的邊

界，將方程式（1-13）中的 iL(min)設為零，得到

-

- -

(2-13)

-

(2-14)

Ｌ 選 ＞ (2-15)

10

2-2-3 公式推導-C 的設計

圖 2-8 電容器電流波形

電容器電流波形來計算降升壓型轉換器之輸出電壓漣波。

(2-16)

求解 Vo，

(2-17)

vgs

t

tDT T

ic

ΔQ

R

oV

11

第三章 降升壓轉換器

3-1 元件設計與選擇

輸入電壓 Vs 輸出電壓 Vo 輸出功率 Po 切換頻率 fsw 漣波比 △Vo/Vo 操作模式

24 V -12 V 50 W 50 kHz <1% CCM

表 3-1 電氣規格

1. 根據功率原理，可求出負載 R

2. 根據伏秒平衡，可求出責任週期 D

3. 根據電流模式 CCM 的條件，可求出電感 L

-

-

(實際繞製為 160μH)

4. 根據電壓漣波比<1%的條件，可求出電容 C(選)

選

(實際選擇為 470μ F)

12

3-1-1 開關元件選擇

1. 根據開關 ON 時，可求出開關耐流

A 6.75101602

10200.33324

2.880.333)(1

0.33324

2L

DTV

RD)(1

DVΔ

2

1I

6

6

2

S

2

SLLL(max)

ii

2. 根據開關 OFF 時，可求出開關耐壓 Vs-Vo=36 V

圖 3-1 開關 IRF640 datasheet

3-1-2 二極體選擇:

1. 根據二極體導通時，可求出二極體耐流

2. 根據二極體截止時，可求出二極體耐壓 Vs-Vo=36 V

圖 3-2 二極體 MUR1640CT datasheet

VsVo

+

-

+

-

VsVo

+

-

+

-

13

3-2 IsSpice 模擬電路圖與實作波形驗證

圖 3-3 IsSpice 降升壓轉換器模擬圖

輸入電壓 Vs 輸出電壓 Vo 輸出功率 Po 漣波比△Vo/Vo 操作模式

24 V -12 V 50 W <1% CCM

負載 R 責任週期 D 電感 L 電容 C 切換頻率 fsw

2.88 0.333 160 H 470 F 50 kHz

表 3-2 代入 IsSpice 的電氣規格與元件參數

3-2-1 vgs 、 Vs 、 Vo ? 是否有符合電氣規格。

3-2-2 vgs 、 vL 、 iL ? 是否有伏秒平衡、CCM。

3-2-3 vgs 、 vds 、ids? 開關耐壓、耐流。

3-2-4 vgs 、 vD 、 iD ? 二極體耐壓、耐流。

8

Vgs

3

C470u

R2.88

Vout

1 2

Vds

MUR1640

Vd24V

Vd

Vgs

5

IRF640

PWM

VS

VG

DDRIVE

L160u

14

3-2-1 vgs 、Vs、Vo模擬與實作波形驗證

圖 3-4 vgs 、Vs、Vo模擬圖

圖 3-5 vgs 、Vs、Vo實作圖

觀察重點:

1. 驗證是否與我們的規格相符。

2. 從圖可以看出輸入 24V 及輸出-12V。

vgs

vgs

輸入電壓Vs

輸出電壓Vo

輸入電壓Vs

輸出電壓Vo

15

3-2-2 vgs 、vL、iL模擬與實作波形驗證

圖 3-6 vgs 、vL、iL模擬圖

圖 3-7 vgs 、vL、iL實作圖

觀察重點:

1. 電感電壓是否有伏秒平衡

2. 電感電流是否為 CCM(連續導通模式)

1 vgs 2 vl 3 il

9.704M 9.712M 9.720M 9.728M 9.736M

time in secs

-80.0

-40.0

0

40.0

80.0

vl in

vo

lts

5.00

7.00

9.00

11.0

13.0

il in

am

ps

-30.0

-20.0

-10.0

0

10.0

vg

s in

vo

lts

Plo

t1

1

3

2

y (max) = 12.0 volts

y (max) = 5.98 amps

vgs

vgs

電感電壓 vL

電感電流 iL

電感電壓 vL

電感電流 iL

16

3-2-3 vgs、vds、 ids模擬與實作波形驗證

圖 3-8 vgs、vds、 ids模擬圖

圖 3-9 vgs、vds、 ids實作圖

觀察重點:

1. 理論 vds=Vs-Vo=36 V 與實作 36 V 符合。

2. 從實作波形可看出開關突波大約 120 V，則選擇開關

IRF640 耐壓可達 200 V。

1 vgs 2 vds 3 ids

9.804M 9.812M 9.820M 9.828M 9.836M

time in secs

0

10.0

20.0

30.0

40.0

ids in

am

ps

-60.0

-20.0

20.0

60.0

100

vd

s in

vo

lts

-30.0

-20.0

-10.0

0

10.0

vg

s in

vo

lts

Plo

t1

1

2

3

y (max) = 35.7 volts

y (max) = 12.0 volts

y (max) = 5.97 amps

vgs

vgs

vds

ids

vds

ids

17

3-2-4 vgs 、vD、iD模擬與實作波形驗證

圖 3-10 vgs 、vD、iD模擬圖

圖 3-11 vgs 、vD、iD實作圖

觀察重點:

1. 二極體 ON 時 vD=Vs-Vo=36 V、二極體 OFF 時 vD=0 V 。

2. iD=iL(OFF) 、 A 16.488.2

12

RoV

D

i 。

1 vgs 2 vd 3 id

9.704M 9.712M 9.720M 9.728M 9.736M

time in secs

-60.0

-20.0

20.0

60.0

100

vd

in

vo

lts

0

10.0

20.0

30.0

40.0

id in

am

ps

-29.0

-19.0

-9.00

1.00

11.0

vg

s in

vo

lts

Plo

t1

1

3

2

y (max) = 12.0 volts

y (max) = 34.1 volts

vgs

vgs

vD

iD

vD

iD

18

3-3 開迴路系統的缺點

3-3-1 輸入電壓變動之輸出電壓響應

圖 3-12 開迴路系統電壓變動波形圖

3-3-2負載變動之輸出電壓響應

圖 3-13 開迴路系統負載變動波形圖

從圖可以得知輸出電壓無法穩壓在吾需求的-12V。

為了使電路達到不受輸入電壓變動與負載變動之影響，輸出電壓

皆能達到穩壓而設計穩壓控制器

輸入電壓Vs

輸出電壓Vo

輸出電壓Vo

輸出電流 Io

19

第四章 穩壓控制器設計

4-1 閉迴路系統之控制器設計

利用 K 因數法設計 TypeⅡ穩壓控制器 C(s)，使得電力轉換器能夠

達到穩壓的目的。此控制器的設計，必需使得系統滿足下列時域與頻

域規格。

1. 系統之穩能誤差為零。

2. 相位餘裕(phase margin)≧45°

3. 系統頻寬(bandwidth) ≧1 kHz

本電路使用動態信號頻譜分析儀量測

藍色框內受控體電路之轉移函數

圖 4-1 控制器設計方塊圖

20

4-2 Type Ⅱ控制器設計步驟

1. 選 fco(ωco)、P.M。

2. 求 G(s)=PWM．P(s)之波德圖

3.

- 選出 R1、R2

4. P.M =

知 選

5.

6. 檢查 TOL(s)=C(s)．G(s)之頻率響應是否 P.M >45°，fco為符合設定值

4-3 系統架構圖-轉移函數量測

利用動態頻譜分析儀來量測轉移函數。

圖 4-2 系統架構圖-轉移函數量測

21

4-4 Curve fitting

用 Matlab 來做 Curve fitting

圖 4-3 Curve fitting

4-5 轉移函數的極點與零點位置

圖 4-4 G(s)頻率響應圖

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Mag

nitu

de (

dB)

102

103

104

105

106

-135

-90

-45

0

Pha

se (

deg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

22

以上得知極點與零點位置為:

388.110:Gain A 20

2.85

1)s

4700

0.58*2s

4700

1(

1B

2

2

二階極點

1

113000

1

:C

s

一階零點

:最後得到轉移函數

14700

58.0*2

4700

1

)116000

1(

388.1G(s)2

2

ss

s

4-6 控制器設計

圖 4-5 G(s)頻率響應圖

選交越頻率 2.5 kHz，增益大小:-1.58 dB；相角-109 度。

23

4-7 Type Ⅱ控制器之設計

4-7-1 決定 K 的因數

-26)C(j4.33K

K

1tanKtan-90)C(j

4.33

)2

)109-(-45tan(

)2

-P.M.tan()

2

180tan(K

co

1-1-

co

c

選擇

Aθθo

得 K = 4.33 帶入以下算式

4-7-2 R1、R2之選擇

在 fco2.5 kHz 時 G(s)增益為，-1.58dB，使開迴路增益為 0 dB 。

1.58dB )G(jω - )C(jω

)G(jω )C(jω dB 0

)(jωG )C(jω )(jωT

dB )(jωG

dBCOdBCO

dBCOdBCO

COCOCOOL

CO

58.1

由 C(s)之中頻增益大小 1.58 dB

2.110

log20dB 1.58)(

33.4K

20

58.1

1

2

1

2

R

R

R

RjωC CO

kΩ2.1 kΩ1 21 R R

24

4-7-3 元件 C1、C2 設計

F 1065.2102.1105.22π

5

RW

KC 7

33

2CO

1

F 1006.15102.1105.22π

1

KRW

1C 8

33

2CO

2

fCO R1 R2 C1 C2

2.5 kHz 1 k 1.2 k 2.65×10-7

F 1.06×10-8

F

表 4-1 控制器元件值

4-8 控制器 C(s)之頻率響應圖

圖 4-6 C(s)之頻率響應圖

25

4-9 總開迴路 TOL(s)轉移函數之頻率響應

)( )( )( TOL sGsCs

符合設計交越頻率 ，， kHz5.2 48.. MP

圖 4-7 TOL(s)之頻率響應圖

26

第五章 實作成果

5-1閉迴路系統測量

5-1-1輸入電壓變動之輸出電壓響應

主電路加上閉迴路控制器後對其量測之性能，以下是當輸入變動時，

輸出電壓是否有確實穩壓在 12 V，由下圖看出確實穩壓在 12 V。

(耦合 DC)電壓變動量測

圖 5-1 (耦合 DC)電壓變動 29V→34V

圖 5-2 (耦合 DC)電壓變動 34V→29V

輸入電壓 Vs

輸入電壓Vs

輸出電壓Vo

輸出電壓Vo

27

(耦合 AC)電壓變動量測

圖 5-3 (耦合 AC)電壓變動 29V→34V

圖 5-4 (耦合 AC)電壓變動 34V→29V

輸出電壓Vo

輸出電壓Vo

輸入電壓Vs

輸入電壓Vs

28

5-1-2 負載變動之輸出電壓響應

主電路加上閉迴路控制器後對其量測之性能，以下是當負載變動時，

輸出電壓是否有確實穩壓在 12 V，由下圖看出確實穩壓在 12 V。

(耦合 DC)負載變動量測

圖 5-5 (耦合 DC)負載變動 30 W→50 W

圖 5-6 (耦合 DC)負載變動 50 W→30 W

輸出電壓Vo

輸出電壓Vo

輸出電流 Io

輸出電流 Io

29

(耦合 AC)負載變動量測

圖 5-7 (耦合 AC)負載變動 30 W→50 W

圖 5-8 (耦合 AC)負載變動 50 W→30 W

輸出電壓Vo

輸出電壓Vo

輸出電流 Io

輸出電流 Io

30

5-2開迴路系統與閉迴路系統對照

從下圖的對照圖可看出閉迴路系統確實能穩壓在 12 V。

開迴路系統電壓變動量測

圖 5-9 開迴路系統(耦合 DC)電壓變動 24 V→29 V

閉迴路系統電壓變動量測

圖 5-10 閉迴路系統(耦合 DC)電壓變動 29 V→34 V

輸出電壓Vo

輸出電壓Vo

輸入電壓Vs

輸入電壓Vs

31

開迴路系統負載變動量測

圖 5-11 開迴路系統(耦合 DC)負載變動 30 W→50 W

閉迴路系統負載變動量測

圖 5-12 閉迴路系統(耦合 DC)負載變動 30 W→50 W

輸出電壓Vo

輸出電壓Vo

輸出電流 Io

輸出電流 Io

32

第六章 PCB 面板製程

6-1 PCB 製作流程

製作印刷電路板的流程如圖5-1所示，主要分為三大步驟：第一是曝光，將

原稿樣式曝光於感光板上；第二是顯影，將已曝光的感光板利用顯影劑進行

顯影；第三是蝕刻，利用蝕刻液，將電路板其餘的銅箔清除乾淨，剩餘所設

計的電路。以下就製作過程作更進一步的介紹與說明。

圖 6-1 PCB 製作流程

準備材料

(電路圖、器材)

曝光

顯影

蝕刻

原稿樣式放置

於感光板上

原稿蓋於感光板上

曝100~130秒

顯影劑塑膠容

器

顯影劑加水搖晃容

器靜制30秒~2分鐘

加入蝕刻水溶液

打氣機加熱

PCB 完成

33

準備好電路圖原稿，您可以自行以電路圖繪製軟體如Protel、Workbench 等

繪製，或者將現有電路圖掃描下來，印成投影片

圖 6-2 印刷電路(a)、(b)

(a)先在保麗龍上面試插元件，看是否會太擠。

(b) 用描圖紙印出來

34

如圖 6-3 所示，將印有電路圖的投影片放在感光電路板上，本文以曝光機進

行曝光，曝光時間約 100~130 秒。

圖 6-3 曝光機

35

此步驟是將已曝光完成之感光板進行顯影。先調製顯影溶液，顯影劑

與水的比例均勻調配後，將曝光的感光膜面朝上，約5 秒鐘後可看見

些許綠色微泡，之後，每隔數秒輕搖一下容器使微泡散開，搖至線路

非常清楚且不再有微粒冒起為止，整個顯影過程即完成。

圖 6-4 顯影劑步驟

(a) 顯影劑

(b) 進行顯影動作

36

將蝕刻劑注入蝕刻機，不可使用鐵製容器，並把感光板刻至非線路部

份的銅箔完全清靜為止。溫度以20℃ ~50℃ ，溫度高速度快，進行曝

光與顯影步驟之前，先行使用此蝕刻機加熱氯化鐵溶液，當曝光與顯

影完成後，氯化鐵溶液已達適合溫度，此時再放入蝕刻機進行蝕刻步

驟，所有手續可於15 分鐘內完成，且電路板品質應可滿足原型設計要

求。

圖 6-5 蝕刻液

37

下個步驟就是鑽洞了

圖 6-6 鑽頭工具(a)、(b)

(a) 鑽頭

(b) 鑽孔機

38

6-2 功率級電路

洞洞板

PCB Laout

PCB 印刷版

圖 6-7 功率級電路圖

39

6-3 控制器電路

麵包版

PCB Laout

PCB 印刷版

圖 6-8 控制器電路圖

40

第七章 心得與結論

1. 實作一組 50 W 的降昇壓式轉換器輸入為 24 V 輸出 -12 V。

2. 利用 IsSpice 模擬電路與實作相互驗證。

3. 觀察波形之重點，並利用波形來觀察電路或元件之設計是否有誤。

4. 完成 PCB(印刷電路板)之佈線流程。

5. 為了使電路達到不受輸入電壓變動與負載變動之影響，輸出電壓皆

能達到穩壓而設計閉迴路控制，而閉迴路控制器確實可以達到穩壓

控制。

6. 轉換器最高效率為 73%。

41

第八章 參考文獻

1. 書名: 閉迴路控制之雙晶順向式電源轉換器分析、模擬與實作

作者: 莊凱程 謝育軒 陳逸軒

2. 書名: 可調光式 LED 檯燈製作

作者: 陳建龍 邱坤宜

3. 書名:電力電子分析與模擬(修訂二版)

作者: 鄭培璿 出版社:全華圖書

4. 書名: 電力電子學 1/e Hart（授權經銷版）

作者 :歐勝源 譯 出版社:東華書局