交换式电源的原理与设计

我们花了八次的篇幅，介绍了 boostconverter 交换式升压转换器的原理与应用，接下来我们要进入交换式电源的另一个常用结构：buck converter，也就是可以降压的交换式电源。

Buckconverter 很多时候又叫做「step-down」converter，step-down 这个名字看起来跟降压就比较有关系，至于为什么降压的交换式电源叫做「buck」，则和它的工作原理有关（这里先卖个关子）。

Buckconveter 的工作原理与 boost converter 有诸多类似之处，因此如果读者已经熟悉前几回讲过的 boost converter 原理，就能很快掌握其中的精神。

Buck 降压结构

照例我们先来看看 buckconverter 的电路结构。

上图是一个经过简化的、典型的 buckconverter 电路。我们用电池的符号来代表输入电压源、电阻的符号来代表负载。

这个电路看起来是不是跟 boostconverter 有几分相似？它们一样都有一个储能电感 L1、一个二极管 D1、一个切换开关 SW1，以及一个输出电容器 C1；与 boost converter 不同的是，这几个零件的相对位置改变了，因此运作原理也稍有不同。

储能电感

电感是交换式电源中非常关键的一个零件，我们再来复习一下它的工作原理。

电感是一种用「磁场」来储存能量的电子零件，当我们施加一个电压在电感上时，会开始有电流流过电感。电流流过电感时，会在电感上面产生一个磁场，这是物理学上的厄斯特定律，而另一个很妙的现象是，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会感应出一个电动势，因此建立在电感上面的这个变动磁场，又会在电感上感应出一个电动势，这个现象称之为电感的「自感」现象。

由于自感现象，电感有一种抵抗电流变化的倾向。当我们加一个电压在电感上时，它不像电阻一样会马上建立一个 I = V/R 的电流，而是从 0 开始，电流逐渐上升。

这个电流上升的速度，或是说它的斜率，与所施加在电感上的电压，以及电感本身的大小有关。事实上电感大小的定义，就是这个斜率跟电压的关系：V（t）= L * di（t） / dt

从上面的式子可以得知，电感上的电压是它上面电流的微分再乘上电感的感值。当施加在电感上的电压是一个定值时，电感上的电流就会呈线性上升（线性函数的一次微分会得到等于斜率的一个常数），而这个上升的斜率与电感的感值有关，电感的感值越大，它里面可储存的能量会越多，电流上升就越慢；电感的感值越小，它里面可以储存的能量就越少，电流上升就越快。

如果我们把加在电感上的电压移除，会发生什么事呢？

这时建立在电感上的磁场会开始减弱。也有的教课书会用「崩溃」这个字来形容此时电感上的磁场状态，因为很多英文的物理或是电子学教科书会用「collapse」这个字来形容此时电感上的磁场。

电感上不允许不连续的电流变化，也就是不允许突然的电流变化。流过电感的电流一定是连续变化的，如果它这一个 moment 是 1 A，它不可能在下一个瞬间突然变成 0，一定要经过一个从 1 A 降到 0 的过程。

因此如果我们把电感上的电压移除后，刚刚在电感上流动的电流并不会完全停止，而是从电流的最大值开始下降。

根据电感的定义，电感上的电压与感值以及电流的变化率有关。刚刚我们加电压在电感上时，电流是由小变大，而此时我们移除电感上的电压时，电流会由大变小，这时候电流变化率的符号就会反过来。如果刚刚电流的斜率是正的，这时电流的斜率就会变成负的，因为斜率的正负号改变了，电感上面的电压方向也会跟着改变。

换句话说，当我们移除了加在电感上的电压之后，电感上面会出现一个跟刚刚施加的电压方向相反的电压，直到电感上的电流递减到零为止。

复习完电感的工作原理，我们就可以来看看buck converter 的电路如何运作的。

BuckConverter 的工作原理

首先，我们将切换开关 SW1 闭合。

当 SW1 导通时，电流会流过 L1 往输出去。这时二极管 D1处于逆向偏压的状态，不会导通。而根据前面说过的电感原理，当电流流过电感时电感上会有一个电压，这个电压的大小与方向和电流的变化率有关。

SW1 刚导通时，L1 上并没有电流，因此 L1 上的电流是从 0 开始往上增加，这个「电流增加」的变化率让 L1 上感应出来的电压是左边高右边低，极性标示在图中。这时的电感就像一个与输入电压源串联，但极性相反的电压源，因此电感上的电压会抵消一部分来自输入电压源的电压。

我们可以说这时电感在「对抗」输入的电压源。

在英文中，「buck」当作动词有抵抗的意思，因此 buck converter 的意思就是我们在「对抗」输入的电压，以达到降压的目的。This circuit is bucking the input voltage to get a lower voltage atoutput.

经过一小段时间后，我们必须在电感饱和之前将SW1 切断，因为当电感饱和后它就无法继续储能，而失去「对抗」输入电压的降压功能。

SW1 切断后，电感上的电流会从刚刚的最大值开始慢慢降低，而由于电流的变化由「增加」变为「减少」，它的变化率由正的变成负的，因此电感上的电压方向也会颠倒，变成如图中所标示的方向。这时电感上的电压就像一个电池一样。

这时二极管 D1 就开始帮忙了，它让 L1 上继续流动的电流能有一个回路。D1 有时候被称之为飞轮二极管（flywheel diode），但它其实不是飞轮，电感本人才是飞轮。因为电感上的电流要持续流动，就像一个转动的飞轮一样不会突然停下来，而飞轮二极管则可以配合电感完成这个任务。

如果没有 D1，当电感上的电压方向颠倒时，由于没有路径可以让电流流动，电感上储存的能量无处可去，会发生很可怕的事。因为电流被迫从“有” 变成 ”无“，这时的变化率在数学上是无限大，而电感上的电压与流过电感的电流变化率相关，因此电感上会感应出一个很高、很高、非常高的电压，极有可能造成电路中其它零件的损坏。

如果我们将电感上的电压和电流波形连续画出来，就会变成这样的图形：

这个电路工作时，会不断地重复导通、断开SW1 开关，用来切换将能量储存到电感中或是让能量从电感中释放出来。

当 SW1 导通时，电感进入储能周期，而因为电感上的电压极性是在对抗输入电压的方向，因此 buck converter 的输出电压永远小于输入电压，这就是它利用电感来降压的原理。

小结

虽然我们已经知道 buck converter的输出电压永远小于输入电压，但到底小多少？要怎么控制输出电压的大小？SW1 要如何切换？这些都是设计 buck converter 中还需要进一步探讨的问题。

这一回我们就先简单介绍 buckconverter 电路最基本的原理到这边，下一回我们会继续分析这个电路的工作，以及要如何控制它。

审核编辑 ：李倩