交換式電源的原理與設(shè)計(jì)

我們花了八次的篇幅，介紹了 boostconverter 交換式升壓轉(zhuǎn)換器的原理與應(yīng)用，接下來我們要進(jìn)入交換式電源的另一個(gè)常用結(jié)構(gòu)：buck converter，也就是可以降壓的交換式電源。

Buckconverter 很多時(shí)候又叫做「step-down」converter，step-down 這個(gè)名字看起來跟降壓就比較有關(guān)系，至于為什么降壓的交換式電源叫做「buck」，則和它的工作原理有關(guān)（這里先賣個(gè)關(guān)子）。

Buckconveter 的工作原理與 boost converter 有諸多類似之處，因此如果讀者已經(jīng)熟悉前幾回講過的 boost converter 原理，就能很快掌握其中的精神。

Buck 降壓結(jié)構(gòu)

照例我們先來看看 buckconverter 的電路結(jié)構(gòu)。

上圖是一個(gè)經(jīng)過簡化的、典型的 buckconverter 電路。我們用電池的符號來代表輸入電壓源、電阻的符號來代表負(fù)載。

這個(gè)電路看起來是不是跟 boostconverter 有幾分相似？它們一樣都有一個(gè)儲能電感 L1、一個(gè)二極管 D1、一個(gè)切換開關(guān) SW1，以及一個(gè)輸出電容器 C1；與 boost converter 不同的是，這幾個(gè)零件的相對位置改變了，因此運(yùn)作原理也稍有不同。

儲能電感

電感是交換式電源中非常關(guān)鍵的一個(gè)零件，我們再來復(fù)習(xí)一下它的工作原理。

電感是一種用「磁場」來儲存能量的電子零件，當(dāng)我們施加一個(gè)電壓在電感上時(shí)，會開始有電流流過電感。電流流過電感時(shí)，會在電感上面產(chǎn)生一個(gè)磁場，這是物理學(xué)上的厄斯特定律，而另一個(gè)很妙的現(xiàn)象是，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的磁場會感應(yīng)出一個(gè)電動勢，因此建立在電感上面的這個(gè)變動磁場，又會在電感上感應(yīng)出一個(gè)電動勢，這個(gè)現(xiàn)象稱之為電感的「自感」現(xiàn)象。

由于自感現(xiàn)象，電感有一種抵抗電流變化的傾向。當(dāng)我們加一個(gè)電壓在電感上時(shí)，它不像電阻一樣會馬上建立一個(gè) I = V/R 的電流，而是從 0 開始，電流逐漸上升。

這個(gè)電流上升的速度，或是說它的斜率，與所施加在電感上的電壓，以及電感本身的大小有關(guān)。事實(shí)上電感大小的定義，就是這個(gè)斜率跟電壓的關(guān)系：V（t）= L * di（t） / dt

從上面的式子可以得知，電感上的電壓是它上面電流的微分再乘上電感的感值。當(dāng)施加在電感上的電壓是一個(gè)定值時(shí)，電感上的電流就會呈線性上升（線性函數(shù)的一次微分會得到等于斜率的一個(gè)常數(shù)），而這個(gè)上升的斜率與電感的感值有關(guān)，電感的感值越大，它里面可儲存的能量會越多，電流上升就越慢；電感的感值越小，它里面可以儲存的能量就越少，電流上升就越快。

如果我們把加在電感上的電壓移除，會發(fā)生什么事呢？

這時(shí)建立在電感上的磁場會開始減弱。也有的教課書會用「崩潰」這個(gè)字來形容此時(shí)電感上的磁場狀態(tài)，因?yàn)楹芏嘤⑽牡奈锢砘蚴请娮訉W(xué)教科書會用「collapse」這個(gè)字來形容此時(shí)電感上的磁場。

電感上不允許不連續(xù)的電流變化，也就是不允許突然的電流變化。流過電感的電流一定是連續(xù)變化的，如果它這一個(gè) moment 是 1 A，它不可能在下一個(gè)瞬間突然變成 0，一定要經(jīng)過一個(gè)從 1 A 降到 0 的過程。

因此如果我們把電感上的電壓移除后，剛剛在電感上流動的電流并不會完全停止，而是從電流的最大值開始下降。

根據(jù)電感的定義，電感上的電壓與感值以及電流的變化率有關(guān)。剛剛我們加電壓在電感上時(shí)，電流是由小變大，而此時(shí)我們移除電感上的電壓時(shí)，電流會由大變小，這時(shí)候電流變化率的符號就會反過來。如果剛剛電流的斜率是正的，這時(shí)電流的斜率就會變成負(fù)的，因?yàn)樾甭实恼?fù)號改變了，電感上面的電壓方向也會跟著改變。

換句話說，當(dāng)我們移除了加在電感上的電壓之后，電感上面會出現(xiàn)一個(gè)跟剛剛施加的電壓方向相反的電壓，直到電感上的電流遞減到零為止。

復(fù)習(xí)完電感的工作原理，我們就可以來看看buck converter 的電路如何運(yùn)作的。

BuckConverter 的工作原理

首先，我們將切換開關(guān) SW1 閉合。

當(dāng) SW1 導(dǎo)通時(shí)，電流會流過 L1 往輸出去。這時(shí)二極管 D1處于逆向偏壓的狀態(tài)，不會導(dǎo)通。而根據(jù)前面說過的電感原理，當(dāng)電流流過電感時(shí)電感上會有一個(gè)電壓，這個(gè)電壓的大小與方向和電流的變化率有關(guān)。

SW1 剛導(dǎo)通時(shí)，L1 上并沒有電流，因此 L1 上的電流是從 0 開始往上增加，這個(gè)「電流增加」的變化率讓 L1 上感應(yīng)出來的電壓是左邊高右邊低，極性標(biāo)示在圖中。這時(shí)的電感就像一個(gè)與輸入電壓源串聯(lián)，但極性相反的電壓源，因此電感上的電壓會抵消一部分來自輸入電壓源的電壓。

我們可以說這時(shí)電感在「對抗」輸入的電壓源。

在英文中，「buck」當(dāng)作動詞有抵抗的意思，因此 buck converter 的意思就是我們在「對抗」輸入的電壓，以達(dá)到降壓的目的。This circuit is bucking the input voltage to get a lower voltage atoutput.

經(jīng)過一小段時(shí)間后，我們必須在電感飽和之前將SW1 切斷，因?yàn)楫?dāng)電感飽和后它就無法繼續(xù)儲能，而失去「對抗」輸入電壓的降壓功能。

SW1 切斷后，電感上的電流會從剛剛的最大值開始慢慢降低，而由于電流的變化由「增加」變?yōu)椤笢p少」，它的變化率由正的變成負(fù)的，因此電感上的電壓方向也會顛倒，變成如圖中所標(biāo)示的方向。這時(shí)電感上的電壓就像一個(gè)電池一樣。

這時(shí)二極管 D1 就開始幫忙了，它讓 L1 上繼續(xù)流動的電流能有一個(gè)回路。D1 有時(shí)候被稱之為飛輪二極管（flywheel diode），但它其實(shí)不是飛輪，電感本人才是飛輪。因?yàn)殡姼猩系碾娏饕掷m(xù)流動，就像一個(gè)轉(zhuǎn)動的飛輪一樣不會突然停下來，而飛輪二極管則可以配合電感完成這個(gè)任務(wù)。

如果沒有 D1，當(dāng)電感上的電壓方向顛倒時(shí)，由于沒有路徑可以讓電流流動，電感上儲存的能量無處可去，會發(fā)生很可怕的事。因?yàn)殡娏鞅黄葟摹坝小?變成 ”無“，這時(shí)的變化率在數(shù)學(xué)上是無限大，而電感上的電壓與流過電感的電流變化率相關(guān)，因此電感上會感應(yīng)出一個(gè)很高、很高、非常高的電壓，極有可能造成電路中其它零件的損壞。

如果我們將電感上的電壓和電流波形連續(xù)畫出來，就會變成這樣的圖形：

這個(gè)電路工作時(shí)，會不斷地重復(fù)導(dǎo)通、斷開SW1 開關(guān)，用來切換將能量儲存到電感中或是讓能量從電感中釋放出來。

當(dāng) SW1 導(dǎo)通時(shí)，電感進(jìn)入儲能周期，而因?yàn)殡姼猩系碾妷簶O性是在對抗輸入電壓的方向，因此 buck converter 的輸出電壓永遠(yuǎn)小于輸入電壓，這就是它利用電感來降壓的原理。

小結(jié)

雖然我們已經(jīng)知道 buck converter的輸出電壓永遠(yuǎn)小于輸入電壓，但到底小多少？要怎么控制輸出電壓的大??？SW1 要如何切換？這些都是設(shè)計(jì) buck converter 中還需要進(jìn)一步探討的問題。

這一回我們就先簡單介紹 buckconverter 電路最基本的原理到這邊，下一回我們會繼續(xù)分析這個(gè)電路的工作，以及要如何控制它。

審核編輯 ：李倩