p98(12 分钟)、p99(12 分钟)、p100(4.9 分钟)、p101(8.1 分钟)、p102(9.7 分钟)
最原始的想法
最原始模型:12V 电源 + 开关 + 电阻 + 电容(先假设「人」就是控制电路)。
人工控制降压过程
电容类似电池,直流电源充电时电压会慢慢充到电源电压开关一直闭合 → 输出从 0 一直充到 12V想降到 5V:看万用表,输出小于 5V 就闭合开关;升到 5V 就断开带负载时:断开后电压往下掉,掉到 4.9V 再闭合;冲到 5.1V 再断开→ 输出在 5V 附近来回抖动仿真
不做任何控制、开关一直闭合 → 一直升高,最终冲到 12V人为控制(到 5V 断开) → 维持在 5V加 100Ω 负载 → 反复通断,维持约 5V核心思维
通过一个开关,让输出电压的能量「分区分批」地到达后级,从而控制输出电压的最大值。
这是开关电源最核心的控制思维。
BUCK 拓扑是怎么推出来的
出发点:开关电源要的是高效率降压。
第 1 步:为什么要去掉电阻
原模型里的电阻会一直串在能量通路中,必然耗能,转换效率做不高,违背设计开关电源的初衷。
第 2 步:直接把电阻去掉为什么不行
去掉后充电回路的等效电阻 R 极小→ 电容充电时间常数 τ = R × C 极小→ 充电速度极快→ 开关一闭合电压「唰」一下从 0 冲到 12V→ 人/控制电路根本来不及断开开关结论:理论上效率极高,但对控制电路速度要求极高,几乎不可能满足。
第 3 步:把电阻换成电感,为什么可行
电感是储能器件,理想状态下不耗能 → 解决电阻损耗问题电感电流不能突变 → 保留「抑制电容充电速度」的作用既解决耗能问题,又保留抑制充电速度的效果。
第 4 步:换电感后带来的新问题
开关断开瞬间,电感原来的电流回路被切断→ 等价于电感回路的电阻发生突变→ 而电感回路电阻绝不能突变,突变会感生一个非常大的电压→ 这个高压会轻松击穿开关第 5 步:加续流二极管
开关断开后电感发现原支路走不通,但存在一条新支路→ 通过二极管形成完整续流回路 → 不再产生高压这个二极管的作用就是给电感续流,故称续流二极管。
最终得到完整 BUCK 拓扑
输入电容 + 开关 + 电感 + 续流二极管 + 输出电容 + 负载这段推理链每一步都是被上一步的问题逼出来的,没有一步是凭空设计的。
续流二极管为什么有效
无二极管时的机理
开关闭合时输出和电感电流一起慢慢升高开关一断开,电感强制把能量释放出去→ 实际上是给开关的寄生电容充电→ 寄生电容容值非常非常小→ 电感能量转移过去后,电容两端产生很高的电压→ 若开关是 MOS 管,很容易被击穿仿真验证
把电阻换成电感,闭合开关 → 输出电压慢慢上升(速度越来越快)先测输出电容两端电压 → 断开瞬间看不到明显高压(看错了观察点)改测开关两端电压 → 断开瞬间出现极高尖峰 示波器刻度调到 5000V/格,尖峰超过 5000V 还多约 1.2 格实际电路里不会这么高,但搞个几百伏出来还是很简单的,MOS 管或三极管必坏。
加一个理想二极管后:开关两端电压仍会上升,但尖峰消失(此时刻度只需 5V/格)。
控制芯片与拓扑的等效
现实中开关不由人控制,而由专用芯片控制。
芯片与分立拓扑的对应关系
开关 → 集成在芯片内部(Vin 到 SW 端之间)二极管 → 也集成在芯片内部(在 GND 与 SW 之间)电感 → 外部可见电容 → 外部可见(两个输出电容)控制电路(「人」)→ 就是芯片本身芯片怎么「看」输出:它没有万用表,靠两个分压电阻把输出反馈进芯片。
降压型开关电源工作原理总结
① 芯片上电后通过反馈电阻检测输出电压② 目标 5V,若检测到小于 5V → 让开关闭合 更专业的说法是:让 MOS 管的占空比变大③ 占空比变大 → 12V 给后级提供的能量越来越多 → 输出电压越来越高④ 升到约 5V 时达到平衡,芯片对占空比做微调电流路径
开关闭合时:电源能量同时给电容充电和给负载供电(两条路径)达到平衡后开关断开瞬间:电感续流电感续流结束后:由输出电容持续给负载提供能量这三句话解释了「为什么需要电感 + 电容两个储能元件」:电感负责开关断开瞬间的过渡,电容负责更长的时间尺度。
芯片内部框架就是那一堆分立电路;把分立电路搞懂,芯片内部原理也就懂了。
BOOST 升压原理
前提结论
仅靠电容或电阻无法实现升压;只有一个开关 + 一个电容也不可能升压(开关闭合后顶多只有电源电压)。
例外:多个开关 + 多个电容利用电容自举可以升压,但过程很复杂。
正确做法:利用电感
关键特性:电感电流不能突变,但两端电压可以突变。
推导过程
① 电感串开关,开关闭合 → 有电流流过,电感蓄能② 开关突然断开 → 电感两端产生比电源高得多的电压 → 这就是升压的来源③ 关键是怎么把能量收集起来:后级加一个储能电容④ 开关断开后,电感电流仍要从左往右流 → 强制把电流灌到后级电容⑤ 依据 V = Q / C: 电感强制把大量电荷送到后级电容,Q 上升、C 不变 → V 必然上升⑥ 每充一次电,电容电压就上升一个台阶新问题
每次给电感充能都要闭合开关,而开关闭合时后级电容好不容易存的能量又被释放掉(白干)。
解决方案:在后级加一个二极管
开关闭合时:电源给电感充能 此时二极管因该点电压变成 0 而反向截止 → 阻止后级电容放电 ✓开关断开时:电感强制给后级充电,电压上升一个台阶 ✓得到升压开关电源最基本的拓扑
电感 + 开关 + 二极管 + 输出电容和 BUCK 的差别:
电感位置:BUCK 在开关之后(串联),BOOST 在开关之前(串联)二极管作用:BUCK 续流(给电感提供回路),BOOST 隔离(防止电容倒放)输出:BUCK 比输入低,BOOST 比输入高电容电压:BUCK 跟随,BOOST 一个台阶一个台阶上升仿真
必须加负载,否则一上电电源给后级充电会充到很高的电压。
上电瞬间输出被充到约 12V闭合开关 → 电感电流升高断开 → 输出电压上升一个台阶断开时间太长会升得非常高加 1Ω 电阻限制电感电流后: 反复「闭合—断开」,输出电压呈一个个台阶上升 想输出 10V 就持续控制,稳定后放电到 10V 以下再闭合—断开BUCK 与 BOOST 对照
| BUCK 降压 | BOOST 升压 | |
|---|---|---|
| 拓扑 | 输入电容 + 开关 + 电感 + 续流二极管 + 输出电容 | 电感 + 开关 + 二极管 + 输出电容 |
| 输出电压 | < 输入 | > 输入 |
| 二极管作用 | 续流 | 隔离 |
| 开关闭合时 | 电源给电感+电容+负载供能 | 电源给电感充能(电容被隔离) |
| 开关断开时 | 电感续流给负载 | 电感升压给电容充电 |
| 典型用途 | 12V → 5V、5V → 3.3V | 3.7V → 5V、12V → 24V |
| 占空比关系 | Vout = Vin × D | Vout = Vin / (1 − D) |
12V 降到 5V 的电机控制电路板就是典型的 BUCK 应用。
坑
- 电感饱和会烧开关,饱和电流要留余量;电感是「不耗能」的储能器件,这是开关电源效率高的根本原因。
- 续流二极管不能省,省了开关两端会出现几千伏尖峰;测尖峰要测开关两端,不是测输出电容。
- BOOST 上电必须带负载;后级电容要加二极管隔离,否则下一个周期会把能量放掉。
- 开关电源有纹波和噪声,给模拟电路供电要额外滤波。
- 推拓扑要理解每一步是被什么问题逼出来的,死记拓扑没用。
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