凡亿专栏 | BUCK拓扑的起源(一)
BUCK拓扑的起源(一)
                                                Buck拓扑的起源(一

 

 

        电源的本质就是能量搬运,而电子的世界中无非是电压和电流的问题,而电容代表的电压,电感代表的是电流,那用一个电流对电容充电是不是解决了电容能量补给的问题,那用什么器件对电容进行充电呢?换句话哪个器件可以控制电流的大小呢?是不是电感和电阻可以实现控制电流,看一下图,通过电阻对电容充电,那这个电阻上是会消耗能量的,同样会降低电源的效率,所以这里我们不要用电阻给电容进行充电,那来看一下电感给电容充电电路图二,电感本身是无源器件不消耗能量对吧,电感可以通过电流的方式来转移电荷数,电容可以存储电荷数,电感和电容结合到一起是不是可以得到一个我们想要的输出电压,那回路上没有损耗直接所有的能量都给电容搬运过去了,效率是很高的。

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      图一                         图二

 

        电容两端的电压是不能激变的,但是电容两端的电流是可以激变的,也就是说在初始上电阶段电容两端电压为零,此时给电容充电,电容相当于短路,那这个时候的充电电流会从零突然出现,我们称这个突然出现的电流为浪涌电流,那此时的di/dt也是很大的对EMC、EMI也有很大的影响,所以需要想办法来解决这个di/dt的突变

 

        来看一下电感,电感两端的电压是可以激变的,但是电流是不能激变的,也就是说电感有遏制电流变化的能力,但是电感两端会有尖峰电压产生,即dv/dt比较大,同样会对EMC、ENI有较大的影响

 

        综合电容和电感的特性,是不是得到一个结论,电感上电流不能激变,电压可以激变,电容上电压不能激变,电流可以激变,看到这个结论是不是会想到用电感控制电容上的电流不激变,用电容控制电感上电压不激变,那电容和电感结合是不是最佳搭档,电容和电感结合到一起既不会出现浪涌电流也不会出现尖峰电压

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                                                                      图三  

        那对电容充电就使用电感好吧,电容和电感是不是需要串联到一起如图三所示,串联电感的目的是为了遏制电容的浪涌电流,那这个电感需要接到Vbus端才会有能量下来回路如图三所示,那这个时候新的问题就出现了,电感的电流会一直上升,一开始从零开始上升,电感可以有效抑制电容的浪涌电流,但是随着时间的推移电感电流逐步上升,最终会到达电感的饱和点,到达电感饱和点以后电感就没有遏制电流的能力了,电感电流会直线上升,如图四所示,假设电感的饱和电流是1A,1A以下电感有遏制电流的能力,过了1A饱和点后电感上的电流就会一直上升直到电感损坏

           

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                         图四     

 

        如图五示我们需要输出电容上的电压是12V,输入高于输出,比如说Vbus=30V,那么电容上是不能一直充电的,一直充电会出现两个问题,一是电感会饱和,二是电容上的电压会等于Vbus电压,这都不是我们想要的,那么需要想个办法解决这个问题,那可以不可以充一会关一会,这样电感电流不会饱和,电容电压也不会到达Vbus,那是不是就需要开关来控制一下,加入开关以后的电路如图六示,如果想电感两端电压不激变,那开关是不是不能突然间断开,但是图中的开关会突然断开,那Vbus上的能量就下不来了,电感从Vbus下来的电流也就没有了

 

 

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       图五                                 图六  

 

        看一下图七,这个时候开关突然断开,电感需要维持自身电流不下降,就会感应出一个左负右正的自感电动势,图七中电感右边的电压接电容,那电感右端电压就是电容上的电压了,不会在改变,为了维持电感自身电流不降低,那电感两端的压降持续升高,由于电感右侧电压固定,那在电感的左端会形成一个很深很深的负压,而且开关上边接的是Vbus电压,假设Vbus是310V那开关的下面是一个很深的负压,那这个开关的耐压是不是会不够,上正下负,而且负端很深,那这个开关最终会被击穿

 

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                           图七         

 

     电感上的尖峰电压是怎么产生的呢?简单点说是电感本身特性所导致的,电感具有自感作用,这个一定要记住。我们从物理方面分析一下,电感具有遏制电流的作用,但是当开关突然断开后,那电路中电流是不是瞬间降为零的,开关断开后还会不会有电流呢?一个断开的回路,电流从何而来呢?开关断开后回路没有了,那电流更不可能有了,但是模电研究的是过程,电感电流从有到无这个过程是需要我们研究思考的。这个电流从有到无的过程中,电感是有遏制电流的能力的,那电流下降,电感需要努力阻止电流下降,怎么才能使得电流不下降呢,这个时候电感会感应出一个右正左负的电压,但是实际电路中开关是断开的,电流还是会持续下降的,电感需要感应出更高的左负右正的压差才能阻止电流继续下降。那么由于开关是断开的,电流会持续下降到零,那这个过程中电感两端压差一直上升,电感一直努力阻止电流降低,尽管最终还是无能为力,电感也不会遗憾的,毕竟曾经努力过,虽然失败了但是虽败犹荣,那在这个过程中实际上电感两端就会产生尖峰电压,由于电感右端被电容电压锁定 ,那只能是在电感左端出现深度负压才能升高电感两端压差了是吧,时间又很短,电流变化又很大,就会形成一个很大的di/dt,那尖峰电压就会十分高,那么这个开关就会被击穿,那怎样操作才能使的di/dt降低呢?我们下回分析。           


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