五分钟讲透开关电源buck降压基本原理
我們使用buck開關電源簡化之后的原理圖來講解它的基本原理。buck降壓電路的本質就是通過不停的開關來達到降壓的目的,所以叫它開關電源。
它的輸入是12v的直流電,然后我們給它不停的開關,波形就變成矩形方波。如果是有一半時間閉合,一半時間斷開,則它最后可以輸出6v的電壓。因為我們的開關只有一半的時間是閉合的,所以最后輸出的電壓也是12 v的一半。
而我們要得到5 伏的電壓,那么就需要42% 的時間閉合,58%的時間斷開。
但這不是我們要的直流5V電,怎么把這些矩形波變成直流5V呢?那就得靠這幾個元件了。當我們閉和開關這一段時間,它的輸出波形是這樣的。
此時二極管截止,這時候電源開始給電感和電容儲能,同時給負載供電,但是電感的電流不能突變,此時電感為了阻止電流增加,會感應一個與電源相反的電壓,這個電感會抵消一部分電源電壓,使得負載端的電壓達不到12V,而在5V左右。
因為另外的電壓都加在了電感身上,隨著時間的增加,電感身上的電壓會慢慢減少,而負載電壓慢慢增加。如果時間稍長,電感身上的電壓將降為0v,而負載的電壓變為12v。因為通過電感的電流如果沒有變化,那么它就只相當于一段導線了。所以我們應該嚴格控制開關通段的時間。
當開關斷開這一段時間,它的輸出波形是這樣的。此時電感為了阻止電流的減少,感應出了這樣的電壓。這時候電感相當于這個電路的電源,有電感給負載供電,通過二極管形成回路。
隨著時間的增加,電感里面的能量慢慢減少,負載兩端的電壓也慢慢降低,不等負載的電壓降為零,開關就又閉合了,又開始了新的一輪充電。在連續模式下,它的波形就成了這個樣子,有效值差不多接近5 伏電容,在這里面起到了儲能濾波的作用。如果沒有它,波形會變得很尖銳。
在實際電路中,由晶體管控制電路的開關,它在一秒之內就能開關上萬次。還有就是這個開關電源的效率可達90% 以上,它的主要損耗是這四個地方。
- 第一個是電感的等效電阻會消耗能量?
- 第二個是電容的等效電阻
- 第三個是二極管導通壓降
- ?第四個是晶體管飽和導通時的電阻。
不過令人興奮的是,這四項損耗加起來也不到10%。
最后我們再來看一下它是如何降壓的。當我們閉合開關時,有一部分電壓被施加在了電感上,但只是把能量儲存起來了,消耗的能量很少,這時候輸出可達5 伏。而線性電源的話,這一部分都以熱量的形式白白浪費了。這就是為什么開關電源的效率高。然后當開關斷開之后,電感上的電壓開始給負載充電使負載繼續保持5v。這就是開關電源的大致原理。
總結
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