【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 1

Posted By Liang Bird on 6 月 15, 2021 in Maker電子學, 教學文 | 0 comments

我們花了八次的篇幅，介紹了線性穩壓電源的原理與應用，並用一些簡單的實例說明了線性穩壓電源設計時要注意的重點。

線性穩壓電源有結構簡單、反應速度快、雜訊低等優點，但因爲它是用「消耗」的方式將多餘的能量轉變成半導體元件上的發熱來調整電壓，因此毫無效率最佳化的空間，它的效率只跟輸入和輸出的電壓差有關，電壓差越大效率就越差，而且它的輸出電壓一定比輸入電壓低，換句話說，線性穩壓電源只能降壓。

從這一回開始，我們要介紹電源系統設計中另一個很大的領域：交換式電源。交換式電源利用電感元件的儲能特性，可以在不使用變壓器、不浪費太多能量的前提下，改變輸出的電壓，而輸出的電壓可以比輸入的電壓高，也可以比它低；換句話說，交換式電源可以升壓，也可以降壓，它甚至可以反轉電壓的極性，也就是產生負的電壓。

交換式電源有許多種不同的結構，各有不同的功能，我們就先從可以升壓的 boost 結構開始介紹。

Boost 升壓結構

我們先從 boost 升壓的電路原理開始。

（圖片來源：Bird 提供）

上圖是一個經過簡化的、典型的 boost 電源電路。我們用電池來代表輸入的電壓源，用電阻 R1 代表負載。實際上構成升壓電路的零件就是電感 L1、二極體 D1、電容器 C1，以及一個用來控制電路工作的 SW1；只要我們用特定的週期切換 SW1 的導通與斷開，就可以讓 V_OUT 上面出現比 V_IN 要高的電壓，神奇吧！

這個電路的關鍵零件是用來儲存能量的電感 L1，要了解這個電路的工作原理，要先從 L1 說起。

關鍵的電感

電感是一種用「磁場」來儲存能量的電子零件，當電流流過電感時，會在電感上面建立一個逐漸增強的磁場，而另一個很妙的現象是，根據法拉第電磁感應定律，變化的磁場會感應出一個電動勢，因此建立在電感上面的這個變動磁場，又會在電感上感應出一個電動勢，這個現象稱之爲電感的「自感」現象。

由於自感現象，電感有一種抵抗電流變化的傾向。當我們加一個電壓在電感上時，它不像電阻一樣會馬上建立一個 I = V/R 的電流，而是從 0 開始，電流慢慢上升。