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title: 漫談交換式電源的原理與設計—PART 1
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updated: "2025-05-05"
category: 交換式電源
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# 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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/06/1.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/06/2-1.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/06/3.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/06/4.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/06/5.jpg)

（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：

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/06/6-1.jpg)

（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）