BUCK電路中的重要器件:電感

首先解決上回的疑問，怎么操作才能降低di/dt，是不是在開關(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)開關(guān)ON期間，回路是什么樣的,當(dāng)開關(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，而且降低開關(guān)電源的效率，我們希望開關(guān)ON期間只有一個(gè)回路通過電感，給電容充電即可，來看一下開關(guān)OFF期間，如圖三示此時(shí)續(xù)流開始，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)通過電容到地經(jīng)過電阻回到電感的左端，這個(gè)過程中電阻同樣在消耗能量，而且有電流流過電阻就會(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。

綜合開關(guān)ON和OFF期間的需求來說，我們希望在ON期間只有一條回路通過電感給電容充電，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)?，那二?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，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電容到地經(jīng)過二極管回到電感負(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)，畫封裝時(shí)候在貼片二極管下方開槽即可，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：理解了電感的工作原理就理解了80%的BUCK電路，可見電感在BUCK電路中是多么重要，自感電動(dòng)勢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，電流從無到有與從有到無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)勢感應(yīng)出的電壓是不會(huì)超過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，用來阻止電流的變化。

（▲圖七）

（▲圖八）

當(dāng)開關(guān)為ON時(shí)，開關(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)來看一這個(gè)電路的等效電路如圖八示，當(dāng)開關(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，忽略開關(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，也就是說電流上升斜率不變，電感的電流以相同的斜率遞增，用來維持感應(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，之前介紹過說需要一個(gè)開關(guān)開通和關(guān)斷電流用來使電感電流不會(huì)飽和，那這個(gè)開關(guān)肯定不能使用機(jī)械按鍵吧，不能使用開關(guān)電源時(shí)候需要調(diào)整的時(shí)候手動(dòng)切換開關(guān)啊，這不現(xiàn)實(shí)，所以這里需要使用電子開關(guān)進(jìn)行控制，能做開關(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關(guān)，我們是不是需要使用PWM波進(jìn)行控制電子開關(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)過多個(gè)周期后會(huì)飽和，對(duì)電流就沒有遏制能力了。