【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART9

作者:Bird

我們花了八次的篇幅,介紹了 boost converter 交換式升壓轉換器的原理與應用,接下來我們要進入交換式電源的另一個常用結構:buck converter,也就是可以降壓的交換式電源。

Buck converter 很多時候又叫做「step-down」converter,step-down 這個名字看起來跟降壓就比較有關係,至於爲什麼降壓的交換式電源叫做「buck」,則和它的工作原理有關(這裡先賣個關子)。

Buck conveter 的工作原理與 boost converter 有諸多類似之處,因此如果讀者已經熟悉前幾回講過的 boost converter 原理,就能很快掌握其中的精神。

Buck 降壓結構

照例我們先來看看 buck converter 的電路結構。

(圖片來源:Bird 提供)

上圖是一個經過簡化的、典型的 buck converter 電路。我們用電池的符號來代表輸入電壓源、電阻的符號來代表負載。

這個電路看起來是不是跟 boost converter 有幾分相似?它們一樣都有一個儲能電感 L1、一個二極體 D1、一個切換開關 SW1,以及一個輸出電容器 C1;與 boost converter 不同的是,這幾個零件的相對位置改變了,因此運作原理也稍有不同。

儲能電感

電感是交換式電源中非常關鍵的一個零件,我們再來複習一下它的工作原理。

電感是一種用「磁場」來儲存能量的電子零件,當我們施加一個電壓在電感上時,會開始有電流流過電感。電流流過電感時,會在電感上面產生一個磁場,這是物理學上的厄斯特定律,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,電流逐漸上升。

(圖片來源:Bird 提供)

這個電流上升的速度,或是說它的斜率,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,電感上的電壓是它上面電流的微分再乘上電感的感值。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(線性函數的一次微分會得到等於斜率的一個常數),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。

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。也有的教課書會用「崩潰」這個字來形容此時電感上的磁場狀態,因爲很多英文的物理或是電子學教科書會用「collapse」這個字來形容此時電感上的磁場。

電感上不允許不連續的電流變化,也就是不允許突然的電流變化。流過電感的電流一定是連續變化的,如果它這一個 moment 是 1 A,它不可能在下一個瞬間突然變成 0,一定要經過一個從 1 A 降到 0 的過程。

因此如果我們把電感上的電壓移除後,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就會反過來。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之後,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。

複習完電感的工作原理,我們就可以來看看 buck converter 的電路如何運作的。

Buck Converter 的工作原理

首先,我們將切換開關 SW1 閉合。

(圖片來源:Bird 提供)

當 SW1 導通時,電流會流過 L1 往輸出去。這時二極體 D1 處於逆向偏壓的狀態,不會導通。而根據前面說過的電感原理,當電流流過電感時電感上會有一個電壓,這個電壓的大小與方向和電流的變化率有關。

SW1 剛導通時,L1 上並沒有電流,因此 L1 上的電流是從 0 開始往上增加,這個「電流增加」的變化率讓 L1 上感應出來的電壓是左邊高右邊低,極性標示在圖中。這時的電感就像一個與輸入電壓源串聯,但極性相反的電壓源, 因此電感上的電壓會抵消一部分來自輸入電壓源的電壓。

我們可以說這時電感在「對抗」輸入的電壓源。

在英文中,「buck」當作動詞有抵抗的意思,因此 buck converter 的意思就是我們在「對抗」輸入的電壓,以達到降壓的目的。This circuit is bucking the input voltage to get a lower voltage at output.

經過一小段時間後,我們必須在電感飽和之前將 SW1 切斷,因爲當電感飽和後它就無法繼續儲能,而失去「對抗」輸入電壓的降壓功能。

SW1 切斷後,電感上的電流會從剛剛的最大值開始慢慢降低,而由於電流的變化由「增加」變爲「減少」,它的變化率由正的變成負的,因此電感上的電壓方向也會顛倒,變成如圖中所標示的方向。這時電感上的電壓就像一個電池一樣。

(圖片來源:Bird 提供)

這時二極體 D1 就開始幫忙了,它讓 L1 上繼續流動的電流能有一個迴路。D1 有時候被稱之爲飛輪二極體(flywheel diode),但它其實不是飛輪,電感本人才是飛輪。因爲電感上的電流要持續流動,就像一個轉動的飛輪一樣不會突然停下來,而飛輪二極體則可以配合電感完成這個任務。

如果沒有 D1,當電感上的電壓方向顛倒時,由於沒有路徑可以讓電流流動,電感上儲存的能量無處可去,會發生很可怕的事。因爲電流被迫從 “有” 變成 ”無“,這時的變化率在數學上是無限大,而電感上的電壓與流過電感的電流變化率相關,因此電感上會感應出一個很高、很高、非常高的電壓,極有可能造成電路中其它零件的損壞。

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,會不斷地重複導通、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。

當 SW1 導通時,電感進入儲能週期,而因爲電感上的電壓極性是在對抗輸入電壓的方向,因此 buck converter 的輸出電壓永遠小於輸入電壓,這就是它利用電感來降壓的原理。

小結

雖然我們已經知道 buck converter 的輸出電壓永遠小於輸入電壓,但到底小多少?要怎麼控制輸出電壓的大小?SW1 要如何切換?這些都是設計 buck converter 中還需要進一步探討的問題。

這一回我們就先簡單介紹 buck converter 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,以及要如何控制它。

(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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