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【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。

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Author: Liang 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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