0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

交换式电源的原理与设计

jf_cVC5iyAO 来源:易心Microbit编程 作者:易心Microbit编程 2022-12-20 16:08 次阅读

我们花了八次的篇幅,介绍了 boostconverter 交换式升压转换器的原理与应用,接下来我们要进入交换式电源的另一个常用结构:buck converter,也就是可以降压的交换式电源。

Buckconverter 很多时候又叫做「step-down」converter,step-down 这个名字看起来跟降压就比较有关系,至于为什么降压的交换式电源叫做「buck」,则和它的工作原理有关(这里先卖个关子)。

Buckconveter 的工作原理与 boost converter 有诸多类似之处,因此如果读者已经熟悉前几回讲过的 boost converter 原理,就能很快掌握其中的精神。

Buck 降压结构

照例我们先来看看 buckconverter 的电路结构。

ef43bb74-803c-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

上图是一个经过简化的、典型的 buckconverter 电路。我们用电池的符号来代表输入电压源、电阻的符号来代表负载。

这个电路看起来是不是跟 boostconverter 有几分相似?它们一样都有一个储能电感 L1、一个二极管 D1、一个切换开关 SW1,以及一个输出电容器 C1;与 boost converter 不同的是,这几个零件的相对位置改变了,因此运作原理也稍有不同。

储能电感

电感是交换式电源中非常关键的一个零件,我们再来复习一下它的工作原理。

电感是一种用「磁场」来储存能量的电子零件,当我们施加一个电压在电感上时,会开始有电流流过电感。电流流过电感时,会在电感上面产生一个磁场,这是物理学上的厄斯特定律,而另一个很妙的现象是,根据法拉第电磁感应定律,变化的磁场会感应出一个电动势,因此建立在电感上面的这个变动磁场,又会在电感上感应出一个电动势,这个现象称之为电感的「自感」现象。

由于自感现象,电感有一种抵抗电流变化的倾向。当我们加一个电压在电感上时,它不像电阻一样会马上建立一个 I = V/R 的电流,而是从 0 开始,电流逐渐上升。

ef5b5bd0-803c-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

这个电流上升的速度,或是说它的斜率,与所施加在电感上的电压,以及电感本身的大小有关。事实上电感大小的定义,就是这个斜率跟电压的关系:V(t)= L * di(t) / dt

从上面的式子可以得知,电感上的电压是它上面电流的微分再乘上电感的感值。当施加在电感上的电压是一个定值时,电感上的电流就会呈线性上升(线性函数的一次微分会得到等于斜率的一个常数),而这个上升的斜率与电感的感值有关,电感的感值越大,它里面可储存的能量会越多,电流上升就越慢;电感的感值越小,它里面可以储存的能量就越少,电流上升就越快。

如果我们把加在电感上的电压移除,会发生什么事呢?

这时建立在电感上的磁场会开始减弱。也有的教课书会用「崩溃」这个字来形容此时电感上的磁场状态,因为很多英文的物理或是电子学教科书会用「collapse」这个字来形容此时电感上的磁场。

电感上不允许不连续的电流变化,也就是不允许突然的电流变化。流过电感的电流一定是连续变化的,如果它这一个 moment 是 1 A,它不可能在下一个瞬间突然变成 0,一定要经过一个从 1 A 降到 0 的过程。

因此如果我们把电感上的电压移除后,刚刚在电感上流动的电流并不会完全停止,而是从电流的最大值开始下降。

根据电感的定义,电感上的电压与感值以及电流的变化率有关。刚刚我们加电压在电感上时,电流是由小变大,而此时我们移除电感上的电压时,电流会由大变小,这时候电流变化率的符号就会反过来。如果刚刚电流的斜率是正的,这时电流的斜率就会变成负的,因为斜率的正负号改变了,电感上面的电压方向也会跟着改变。

ef75df50-803c-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

换句话说,当我们移除了加在电感上的电压之后,电感上面会出现一个跟刚刚施加的电压方向相反的电压,直到电感上的电流递减到零为止。

复习完电感的工作原理,我们就可以来看看buck converter 的电路如何运作的。

BuckConverter 的工作原理

首先,我们将切换开关 SW1 闭合。

ef8f3450-803c-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

当 SW1 导通时,电流会流过 L1 往输出去。这时二极管 D1处于逆向偏压的状态,不会导通。而根据前面说过的电感原理,当电流流过电感时电感上会有一个电压,这个电压的大小与方向和电流的变化率有关。

SW1 刚导通时,L1 上并没有电流,因此 L1 上的电流是从 0 开始往上增加,这个「电流增加」的变化率让 L1 上感应出来的电压是左边高右边低,极性标示在图中。这时的电感就像一个与输入电压源串联,但极性相反的电压源,因此电感上的电压会抵消一部分来自输入电压源的电压。

我们可以说这时电感在「对抗」输入的电压源。

在英文中,「buck」当作动词有抵抗的意思,因此 buck converter 的意思就是我们在「对抗」输入的电压,以达到降压的目的。This circuit is bucking the input voltage to get a lower voltage atoutput.

经过一小段时间后,我们必须在电感饱和之前将SW1 切断,因为当电感饱和后它就无法继续储能,而失去「对抗」输入电压的降压功能。

SW1 切断后,电感上的电流会从刚刚的最大值开始慢慢降低,而由于电流的变化由「增加」变为「减少」,它的变化率由正的变成负的,因此电感上的电压方向也会颠倒,变成如图中所标示的方向。这时电感上的电压就像一个电池一样。

efcead4c-803c-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

这时二极管 D1 就开始帮忙了,它让 L1 上继续流动的电流能有一个回路。D1 有时候被称之为飞轮二极管(flywheel diode),但它其实不是飞轮,电感本人才是飞轮。因为电感上的电流要持续流动,就像一个转动的飞轮一样不会突然停下来,而飞轮二极管则可以配合电感完成这个任务。

如果没有 D1,当电感上的电压方向颠倒时,由于没有路径可以让电流流动,电感上储存的能量无处可去,会发生很可怕的事。因为电流被迫从“有” 变成 ”无“,这时的变化率在数学上是无限大,而电感上的电压与流过电感的电流变化率相关,因此电感上会感应出一个很高、很高、非常高的电压,极有可能造成电路中其它零件的损坏。

如果我们将电感上的电压和电流波形连续画出来,就会变成这样的图形:

efed3546-803c-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

这个电路工作时,会不断地重复导通、断开SW1 开关,用来切换将能量储存到电感中或是让能量从电感中释放出来。

当 SW1 导通时,电感进入储能周期,而因为电感上的电压极性是在对抗输入电压的方向,因此 buck converter 的输出电压永远小于输入电压,这就是它利用电感来降压的原理。

小结

虽然我们已经知道 buck converter的输出电压永远小于输入电压,但到底小多少?要怎么控制输出电压的大小?SW1 要如何切换?这些都是设计 buck converter 中还需要进一步探讨的问题。

这一回我们就先简单介绍 buckconverter 电路最基本的原理到这边,下一回我们会继续分析这个电路的工作,以及要如何控制它。

审核编辑 :李倩

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 电源
    +关注

    关注

    184

    文章

    17706

    浏览量

    250004
  • 电感
    +关注

    关注

    54

    文章

    6136

    浏览量

    102307
  • 电路结构
    +关注

    关注

    1

    文章

    35

    浏览量

    8978

原文标题:漫谈交换式电源的原理与设计(九)

文章出处:【微信号:易心Microbit编程,微信公众号:易心Microbit编程】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    干货!8款开关电源电路设计、工作原理图详解

    开关电源简介开关电源原理图详解,开关电源又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源
    的头像 发表于 09-27 08:02 1058次阅读
    干货!8款开关<b class='flag-5'>电源</b>电路设计、工作原理图详解

    DC/DC有线网络交换系统的负载点电源解决方案

    电子发烧友网站提供《DC/DC有线网络交换系统的负载点电源解决方案.pdf》资料免费下载
    发表于 09-18 10:31 0次下载
    DC/DC有线网络<b class='flag-5'>交换</b>系统的负载点<b class='flag-5'>电源</b>解决方案

    如何确保工业交换机电源安全运行

    在现代工业自动化和智能制造中,工业交换机作为网络通信的重要设备,其电源的安全运行显得尤为重要。为了确保工业交换机在各种恶劣环境下的稳定性与可靠性,我们需要采取一系列的措施和策略。首先,选择高质量
    的头像 发表于 08-07 11:52 239次阅读
    如何确保工业<b class='flag-5'>交换机电源</b>安全运行

    开关变换器的工作原理和调制方式

    开关变换器(Switching Converter),又称为开关电源交换式电源,是一种高频化电能转换装置,其核心部件为功率半导体开关器件。这类变换器的主要功能是将一种直流电能转换成另一种或多种
    的头像 发表于 07-16 17:06 1040次阅读

    如何提高工业交换机的电源功耗

    工业交换机的电源功耗是指在工作状态下所消耗的能量。随着工业自动化威廉希尔官方网站 的发展,工业交换机在生产和制造领域中扮演着至关重要的角色。它们通过连接各种设备和系统,实现信息的传输和处理,提高生产效率和质量
    的头像 发表于 06-27 14:06 239次阅读

    「干货」8款开关电源电路设计、工作原理图详解

    开关电源简介 开关电源原理图详解,开关电源又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源
    发表于 04-15 09:53

    开关电源的作用是在电路中提供交流电压吗

    解释为何它并非仅仅提供交流电压,旨在帮助读者更深入地理解这一关键电子组件的工作原理及其在电路中的重要作用。 一、开关电源的基本概念 开关电源,又称交换式电源或开关变换器,是一种利用现代
    的头像 发表于 04-12 08:48 412次阅读

    工业级POE交换机如何确保电源安全运行

    工业级POE交换机通过多种方式来确保电源的安全运行: 1. 电源保护:POE交换机通常具有过流保护、过压保护、短路保护等功能,以防止电源供应
    的头像 发表于 04-03 11:16 502次阅读

    开关电源进口报关清关资料清单,相关资料交税

    开关模式电源(SwitchModePowerSupply,简称SMPS),又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形
    的头像 发表于 03-18 11:10 368次阅读
    开关<b class='flag-5'>电源</b>进口报关清关资料清单,相关资料交税

    srio交换芯片是什么?srio交换芯片的原理和作用

    SRIO(Serial RapidIO)交换芯片是一种高性能的通信芯片,专门设计用于实现基于SRIO协议的数据交换和传输。SRIO是一种点对点串行通信协议,广泛应用于嵌入系统、高性能计算、网络通信
    的头像 发表于 03-16 16:40 3403次阅读

    rapidio交换芯片是什么

    RapidIO交换芯片是一种基于RapidIO协议的专用交换芯片,它能够实现高速、低延迟的数据传输和交换,广泛应用于嵌入系统、数据中心、网络通信等领域。RapidIO协议本身是一种基
    的头像 发表于 03-16 16:40 2460次阅读

    和共享以太网相比,交换式以太网有什么不同的特点?

    和共享以太网相比,交换式以太网有什么不同的特点? 交换式以太网是一种通过交换机连接多台计算机的网络威廉希尔官方网站 ,相对于共享以太网,它具有许多不同
    的头像 发表于 02-21 11:25 3875次阅读

    开关电源是怎么稳压输出的

    开关电源,也被称为交换式电源或开关模式电源供应器(SMPS),是一种高效的电源转换设备。与传统的线性电源
    的头像 发表于 02-16 11:09 1740次阅读
    开关<b class='flag-5'>电源</b>是怎么稳压输出的

    交换机连接应用解决方案

    交换机,也称为交换式集线器,是一种网络设备,通过对信息进行重新生成,并经过内部处理后转发至指定端口,具备自动寻址能力和交换作用。根据所传递信息包的目的地址,交换机将每一信息包独立地从源
    的头像 发表于 01-18 08:26 449次阅读
    <b class='flag-5'>交换</b>机连接应用解决方案

    工业交换机的冗余电源设计

    在市场上,尤其是在工业级交换机上,我们经常能看到一个支持冗余电源的选项。在大多数工业现场中,我们都知道网络的稳定性是非常关键的。而且,像光伏和煤矿这样的行业经常位于偏远地区,环境条件恶劣。因此,在
    的头像 发表于 12-27 10:26 857次阅读
    工业<b class='flag-5'>交换</b>机的冗余<b class='flag-5'>电源</b>设计