首先解決上回的疑問(wèn),怎么操作才能降低di/dt,是不是在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間建立一個(gè)回路,那建立回路我們加一個(gè)電阻試試看怎么樣,如圖一示有了回路,電流降低到零的時(shí)間dt就增大了,那di/dt就小多了,這個(gè)回路稱為續(xù)流回路。
(▲圖一)
(▲圖二)
我們看一下這個(gè)續(xù)流回路當(dāng)開(kāi)關(guān)ON期間,回路是什么樣的,當(dāng)開(kāi)關(guān)ON時(shí),回路如圖二示,有兩個(gè)回路電阻這一個(gè)回路會(huì)消耗能量,而且降低開(kāi)關(guān)電源的效率,我們希望開(kāi)關(guān)ON期間只有一個(gè)回路通過(guò)電感,給電容充電即可,來(lái)看一下開(kāi)關(guān)OFF期間,如圖三示此時(shí)續(xù)流開(kāi)始,源是電感,電感作為電流源存在,在續(xù)流期間,從電感右端出發(fā)通過(guò)電容到地經(jīng)過(guò)電阻回到電感的左端,這個(gè)過(guò)程中電阻同樣在消耗能量,而且有電流流過(guò)電阻就會(huì)有壓降,同樣會(huì)在電感左端產(chǎn)生一個(gè)不小的負(fù)壓,這并不是我們想要的結(jié)果。
綜合開(kāi)關(guān)ON和OFF期間的需求來(lái)說(shuō),我們希望在ON期間只有一條回路通過(guò)電感給電容充電,電感左端對(duì)地不能導(dǎo)通,而且電阻會(huì)增加功耗是不可取的,在OFF期間續(xù)流回路產(chǎn)生我們需要電感左端的負(fù)壓要低,此時(shí)結(jié)論已出,單向?qū)铮嵌?jí)管就呼之欲出了,單向?qū)ㄓ帜茔Q位負(fù)壓一舉兩得,非它莫屬,那我們看一下加入續(xù)流二極管的電路圖,如圖四所示。
(▲圖三)
(▲圖四)
繼續(xù)分析續(xù)流回路,看圖五示在開(kāi)關(guān)OFF期間產(chǎn)生續(xù)流回路,會(huì)電感上感應(yīng)出一個(gè)左負(fù)右正的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),根據(jù)續(xù)流回路分析電感右端接電容正極,電壓等于電容上電壓,電流從電感的正極流過(guò)電容到地經(jīng)過(guò)二極管回到電感負(fù)極,地上電壓為0V,那二極管要想導(dǎo)通,電感負(fù)端電壓是不是等于-0.7V如圖六示,那開(kāi)關(guān)管兩端的壓降是多少?是不是Vbus+0.7V,那二極管的耐壓在此基礎(chǔ)上在放一點(diǎn)余量就可以了,貼片二極管也有耐高壓的不一定非要使用插件二極管在使用貼片二極管時(shí),畫(huà)封裝時(shí)候在貼片二極管下方開(kāi)槽即可,目的是為了爬電距離和高濕環(huán)境下的安全。
(▲圖五)
(▲圖六)
那二極管的具體選型該怎么考慮呢?
假設(shè)輸入電壓為+100V,二極管耐壓在+100V的基礎(chǔ)上放30%---50%的余量就可以了,一般情況下選擇耐壓150V、200V的都可以,并不是耐壓高的管子價(jià)格就一定高,管子的價(jià)格和庫(kù)存出貨量都有關(guān)系,出貨量大的管子價(jià)格肯定會(huì)低,如果此時(shí)有耐壓150V出貨量低,有耐壓200V出貨量大的,那果斷選擇耐壓高的這一款,具體出貨量以及庫(kù)存量需要和廠家溝通一下,不要在百度上直接搜索一個(gè)型號(hào)到時(shí)間買的時(shí)候找不到對(duì)應(yīng)型號(hào)或者說(shuō)已經(jīng)停產(chǎn)了,一定要和廠家溝通確認(rèn),二極管的耐流量放到實(shí)際設(shè)計(jì)輸出電流的20%就好。
分析BUCK電路中最神秘且重要的靈魂器件---電感
如圖七示,俗話說(shuō):理解了電感的工作原理就理解了80%的BUCK電路,可見(jiàn)電感在BUCK電路中是多么重要,自感電動(dòng)勢(shì)的大小與電流變化率是成正比的,di/dt為單位時(shí)間內(nèi)電流的變化率,電流從無(wú)到有與從有到無(wú)的瞬間變化率都是非常大的,在電路正常情況下電感的自感電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)出的電壓是不會(huì)超過(guò)Vbus電壓的,而且最大感應(yīng)電流也是與實(shí)際電流方向相反的一個(gè)電流,用來(lái)阻止電流的變化。
(▲圖七)
(▲圖八)
當(dāng)開(kāi)關(guān)為ON時(shí),開(kāi)關(guān)閉合瞬間電感上的電流從零到有,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極大的di/dt,而這個(gè)極大的di/dt會(huì)在電源兩端感應(yīng)出一個(gè)接近Vbus的感應(yīng)電壓進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流感應(yīng)電流方向與輸出電流方向相反,用來(lái)阻礙電流增大,隨著時(shí)間推移,電感上的電流在緩慢的上升,電感電流的變化率di/dt在逐步減小,而電感兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也在逐步降低,且有電阻與電感分壓可知隨著電感電流的增大,電阻兩端電壓逐漸接近電源電壓,電感兩端壓降逐漸降低直到為零電感進(jìn)入飽和狀態(tài)。
電感上電流上升下降波形示意圖如圖九示,當(dāng)R=0Ω時(shí)來(lái)看一這個(gè)電路的等效電路如圖八示,當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合后,在電感上會(huì)感應(yīng)出一個(gè)上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),忽略開(kāi)關(guān)上的壓降,感應(yīng)電壓等于Vbus一直不變,由電感電壓公式U=L*di/dt,di/dt是一個(gè)固定的數(shù)值,也就是說(shuō)電流上升斜率不變,電感的電流以相同的斜率遞增,用來(lái)維持感應(yīng)電壓等于外部輸入電壓Vbus.
(▲圖九)
也可以從公式角度進(jìn)行分析:
di/dt::是電流斜率,Vin=Vbus電壓,輸入電壓不會(huì)改變,電感L的值也不會(huì)改變,所以當(dāng)R=0時(shí),電感電流斜率不變,那電感兩端電流的公式為:di/dt=VL/L ,VL:感應(yīng)電壓,L:電感量。
總結(jié):感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越高,電感電流的上升或者下降斜率就越大,感應(yīng)電壓等于輸入電壓時(shí),斜率不變。
BUCK的拓?fù)鋱D如圖十示繼續(xù)分析,之前介紹過(guò)說(shuō)需要一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)斷電流用來(lái)使電感電流不會(huì)飽和,那這個(gè)開(kāi)關(guān)肯定不能使用機(jī)械按鍵吧,不能使用開(kāi)關(guān)電源時(shí)候需要調(diào)整的時(shí)候手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)啊,這不現(xiàn)實(shí),所以這里需要使用電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制,能做開(kāi)關(guān)的電子器件有什么呢?是不是三極管、MOSFET、IGBT都可以使用,具體使用哪一種我們后面在繼續(xù)分析,那確認(rèn)這里需要使用電子開(kāi)關(guān),我們是不是需要使用PWM波進(jìn)行控制電子開(kāi)關(guān)管的通斷。
(▲圖十)
假設(shè)現(xiàn)在我們有一個(gè)占空比為50%的方波,Ton=Toff,Ton為一個(gè)周期內(nèi)高電平所占時(shí)間,Toff為一個(gè)周期內(nèi)低電平所占時(shí)間,這里我們假設(shè)Ton=Toff那我們看一下電感上的電流波形如圖十一示,每個(gè)周期中電感電流上升量等于電流下降量,這樣電感才能達(dá)到平衡,如果電感電流上升量大于下降量或者下降量大于上升量電感經(jīng)過(guò)多個(gè)周期后會(huì)飽和,對(duì)電流就沒(méi)有遏制能力了。
(▲圖十一)
假設(shè)電感飽和電流2A如圖十二所示,當(dāng)電感超過(guò)飽和電流后,電感電流會(huì)直線上升并損壞電感,只有電感處于平衡狀態(tài)才是我們想要的,并且是我們?cè)O(shè)計(jì)電感時(shí)追求的波形。
(▲圖十二)
總結(jié):
①、電感電流的斜率與電感的感應(yīng)電壓有關(guān)與電感電流大小無(wú)關(guān)
②、電感兩端的感應(yīng)電壓由Vin與Vout共同決定
③、電感上的平均電流等于負(fù)載電流
④、電感上的平均電流位于電感電流波形幾何圖形的中心
⑤、電感的感應(yīng)電壓與開(kāi)關(guān)動(dòng)作總是相反