【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 1

作者:Bird

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 VOUT 上面出現比 VIN 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。

(圖片來源:Bird 提供)

這個電流上升的速度,或是說它的斜率,則與所施加在電感上的電壓,以及電感本身的大小有關。事實上電感大小的定義,就是這個斜率跟電壓的關係:

V(t) = L * di(t) / dt

從上面的式子可以得知,當施加在電感上的電壓是一個定值時,電感上的電流就會呈線性上升,而這個上升的斜率與電感的感值有關。電感的感值越大,它裡面可以儲存的能量會越多,電流上升就越慢;電感的感值越小,它裡面可以儲存的能量就越少,電流上升就越快。

電感並不能無限制地將能量儲存在磁場中。當它上面建立的磁場超過元件本身特性的上限,它就無法再儲存更多的能量,這時候我們就說這個電感「飽和」了。

當一個電感飽和後,它上面的磁場就不會再增強,而因爲磁場不再變化,前面提過的自感現象也會消失,這時電感會抵抗電流變化的這個特性也會消失,這時候電感就不再是電感了,它會變成像電阻一樣的零件,上面的電流只與構成它的導體電阻有關,而由於電感通常是由電阻很小的漆包線構成,這時電感上的電流就突然快速上升。在使用電感時,要絕對避免讓電感進入飽和的狀態,這會衍生出很多不良的效應。

如果我們把加在電感上的電壓移除,會發生什麼事呢?

這時建立在電感上的磁場會開始減弱,也有的英文的物理或是電子學教科書會用「collapse」(崩潰)這個字來形容此時電感上的磁場狀態。電感的特性是抵抗電流的變化,因此剛剛在電感上流動的電流並不會完全停止,而是從電流的最大值開始慢慢下降。

根據電感的定義,電感上的電壓與感值以及電流的變化率有關。剛剛我們加電壓在電感上時,電流是由小變大,而此時我們移除電感上的電壓時,電流會由大變小,這時候電流變化率的符號會反過來。如果剛剛電流的斜率是正的,這時電流的斜率就會變成負的,因爲斜率的正負號改變了,電感上面的電壓方向也會跟著改變。

(圖片來源:Bird 提供)

換句話說,當我們移除了加在電感上的電壓後,電感上面會出現一個跟剛剛施加的電壓方向相反的電壓,直到電感上的電流遞減到零爲止。

我們把電感這個特性放到上面那個電路來看看會發生什麼事。

首先,我們將切換開關 SW1 閉合。

(圖片來源:Bird 提供)

由於 SW1 的一側是接地的,電流會挑最好走的路徑走,因此此時電流會流經電感,再經過 SW1 到地,而不會往二極體方向走。在這個狀態下,流經電感的電流由零開始漸增,根據前面的推導,電感兩端的電壓差就如圖上所標示的,左側電壓高(等於 VIN)、右側電壓低(等於 0)。

經過一小段時間,在電感飽和之間,我們將 SW1 開關斷開。

(圖片來源:Bird 提供)

SW1 斷開後,電流無法再經由 SW1 流向地,因此會往二極體方向流動。此時電感上的電流開始遞減,根據前面的推導,電感兩端電壓的方向會反過來,變成如上圖所標示的方向。

如果我們將電源輸入的極性,也就是圖中電池的極性也標在圖上,就可以看出,這時電感就像另一個與電源串聯在一起的電池一樣,它們兩者的電壓會疊加。

因爲電池的負極接地,電壓爲 0,這時電感右方的電壓就會是電池的電壓再加上電感自己的電壓,於是我們就得到了一個比電池的電壓還高的電壓。

如果我們將電感上的電壓和電流波形連續畫出來,就會變成這樣的圖形:

(圖片來源:Bird 提供)

這個電路工作時,會不斷地重複閉合、斷開 SW1 開關,用來切換將能量儲存到電感中或是讓能量從電感中釋放出來,這也是爲什麼這一類的電源被叫做 switching power 或交換式電源的原因。

這就是 boost converter 能造出比輸入電壓還高的電壓的基本原理:利用電感在電流變化率反轉時,電壓的極性會跟著反轉的特性,讓電感磁場中儲存的能量釋放時感應出來的電壓與輸入的電壓疊加,得到比輸入電壓更高的電壓。

小結

要讓這個電路穩定運作,根據負載的需求,產生我們需要的電壓,還需要很多精密的控制。SW1 要開多久、關多久、疊加起來的電壓有多高、如何控制等,還有很多可以討論的細節。

我們這一回就先簡單介紹 boost 電路最基本的原理到這邊,下一回我們會繼續分析這個電路的工作,包括如何控制輸入電壓與輸出電壓之間的關係、電路中其它零件(二極體、電容器)的目的與工作原理,以及設計上可能會有什麼限制。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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