一篇文章搞懂BUCK开关电源基础理论(上)

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一篇文章搞懂BUCK开关电源基础理论(上)

一篇文章搞懂BUCK开关电源基础理论(中)

一篇文章搞懂BUCK开关电源基础理论(下)

前言

    在硬件开发的过程中,BUCK拓扑的开关电源是很常见的,相比于LDO的降压方式 BUCK降压的效率大大提高(尤其是在压差高、输出电流大的情况)。虽然BUCK降压电路有一些缺点,比如引入开关噪声、EMI、输出电压纹波相比于LDO偏大;但是仅凭电源效率这一点,BUCK降压在高压差、大功率的应用场合作为首选。 今天我们就来详细讲解一下BUCK开关降压的基础理论知识。

一、为何BUCK降压会在效率上远优于LDO?

LDO降压和BUCK降压工作原理的差异导致了两种降压方式的效率差异↓

  1. LDO实现降压的本质是LDO芯片(或实现LDO功能的晶体管)将“多余的电压”以热量的形式消耗掉,以此实现降压。

  2. 以本图为例当输入Vin=15V时,若通过LDO实现降压,那么LDO所要承受的电压Vldo=15V-5V=10V。假设负载电阻Rload需要从LDO摄取1A的电流,那么LDO以热能形式消耗的功率P = Vldo * Iout = 10V * 1A = 10W。(还好只是假设,不然真的是非常恐怖的发热量)。

  3. LDO降压的效率公式:效率 = (Vout * Iout )/ (Vin * Iin),由于Iout = Iin,则 效率 = Vout / Vin = 5/15 = 33.3%

2.2 BUCK降压原理

  1. BUCK降压通过开关控制电感的储能、释放来完成降压过程。大致原理为:当开关闭合时,电感进行储能;当开关断开时,电感将储存的能量释放。

  2. 当开关突然断开时,由于电感要保持住充电时的电流(电感的特性为:改变电感两端电压从而尽力保持上一时刻的电感电流),所以在电感的左侧会出现较大的尖峰电压。这时就要通过二极管来进行续流,保证开关不被尖峰电压烧坏。

  3. 电感储能、释放式的降压方式保证了没有大量电能以热能方式被消耗,这就保证了效率(BUCK降压的效率达到90%以上是很正常的事)。

小结:通过的原理分析可以知道,BUCK降压使用电感进行储能、释放,相比于LDO消耗电能方式的降压没有过多的浪费能量,这就保证了电源效率处于较高水平。

二、电感的基础理论知识

电感是BUCK开关降压拓扑的核心元件,若想较好的理解BUCK降压,那么电感的基础理论知识是必须的。

2.1.电感的物理特性:

**电感对电流的变化量敏感,当电感面临电流变化时会产生一个方向电压尽量的抑制电流变化。 **

让我们来直观的看一下↓

我们使用电阻R2来测量流过电感L1的电流,当我们闭合开关时,我们发现电感电流没有直接上升而是以指数缓慢上升。

电感电流的变化遵循公式:

I = Vin * (1- e ^ (-t*r/L)     (开关闭合充电过程);

I = Vin * (e ^ (-t*r/L))     (开关断开放电过程);

2.2 我们再来看一下电感两端的电压↓

2.2.1 当开关闭合时

我们再来测一下电感两端的电压波形↑,我们可以看到当开关闭合的瞬间,电感会产生一个左正右负的感应电压,来抑制即将产生的电流,感应电压初始幅值与输入电压相同。随着时间的推移,感应电压逐渐趋于0V。

2.2.2 当开关断开时

当开关断开时,电感产生电动势保持上一状态的电流流动,就会产生右正左负的电动势,由于开关断开时已不能形成完整通路(因为开关已经断路),所以电感产生感应电动势在理论上是无穷大的(在上图中可以看到,由于电感电压无处释放,电感两侧产生非常大的负尖峰),这种感应电动势对负载和开关都是非常有害的,这也就引出了BUCK降压中的二极管的作用↓。

2.2.3 使用二极管续流

由于二极管的引入,电感在开关断开时也形成了闭环,由于存在了泄放的回路,这时电感的感应电压便不再无穷大(在图中可以看到,感应电压的大小与Vin相同),续流二极管一方面保护了负载和开关器件,另一方面也保证了能量不被浪费,提高了能量利用效率

2.3 电感模型的数学表达

通过以上的实验结果我们大致摸清了电感的工作特性,但是若要彻底搞懂BUCK降压的原理,还需要较为严谨的数学表达!这里我将上文所涉及到的电感电压、电流的数学表达式直接给大家。

 电感电压 U =  L * (di / dt );感量一定的情况下,电感流过电流变化越剧烈,产生感应电动势越大。

② 电感充电电流 I = Vin * (1- e ^ (-t*r/L)     (开关闭合充电过程);

③ 电感放电电流 I = Vin * (e ^ (-t*r/L))     (开关断开放电过程);

2.4 电感选型时的基本参数

除了电感的理论基础以外,在实际的工程应用时,主要关注的电感的参数有4个↓

①电感额定电流: 选取额定电流时要留20%的余量

②电感饱和电流: 当电感实际电流超过电感本身的饱和电流时,电感就失去了储能与释放能量的能力(近似于一根导线),所以选型时要保证电路工作电流小于电感饱和电流,通常留20%的余量。

③电感最大电流:电感流过的电流分为交流和直流部分,要保证峰值电流小于电感最大电流,也是留20%余量。

④电感感值:这个不解释

结束:

今天较为充分的叙述了LDO、BUCK的工作原理的不同,以及两种降压效率不同的原因,又详细讲解了电感的基本特性。由于篇幅原因,BUCK降压的基本原理分(上)、(中)、(下)三篇进行讲述。

在下一篇文章↓

 一篇文章搞懂BUCK开关电源基础理论(中)  里,我将详细讲述BUCK降压的理论知识,包括BUCK的三种工作模式、伏秒方程推导、电感值的计算等。

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至今为止关于BUCK电源更新了三篇文章:

一篇文章搞懂BUCK开关电源基础理论(上)

一篇文章搞懂BUCK开关电源基础理论(中)

一篇文章搞懂BUCK开关电源基础理论(下)

较为详细的介绍了BUCK降压拓扑中的基础理论计算,后面我还会继续更新文章实际搭建BUCK降压电路,将理论应用到实际电路中!

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