【专题2：电子工程师 之 硬件】 之 【66.开关电源 之 buck电路和引入电感】

希望本是无所谓有，无所谓无的，这正如脚下的路，其实地上本没有路，走的人多了，也便成了路
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1.体积和频率的关系

现在需要把2000个人从a地运到b地，有船和车两种运输方式。船一次可以运输500个人，一共需要4次能将所有人运完。车一次可以运50个人，一共需要40次能将所有人运完。

船的体积大，运载能力强，但频率低；车体积小，但频率高。体积小意味着成本低。同样的道理，如果开关电源的频率越高，体积就可以做得更小，成本也就更低。并且为了节省体积，节省成本，会把能量拆分为很多个小的包进行运输。
 

2.引入电感

只要系统工作，红色回路的电流就一直存在，这是电源本身消耗的。并且三极管Q1发热严重（长时间处于放大区），温度升高影响元器件寿命，实践表明，温升每升高10℃，系统的稳定性会下降一倍。

因为开关电源需要储能，所以需要有电容。现在需要把+15V降到+5V。

因为电容两端的电压不能突变，所以Va是缓慢上升的，如下图所示：

只要手速足够快，当a点电压Va上升到b点，5V时，立即断开开关S1，当Va小于5V时，立即开通开关S1，让Va维持在+5V左右。

增加电容后解决的问题：
（1）负载上的电压比较稳定，不会激变。
（2）通过控制开关S1的开和关，可以保证负载电压是我们所期望的。
不管开关闭合还是关断，负载都可以正常工作。开关关断时，电容储存的能量可以维持负载的正常工作。因为电容不耗能，所以开关电源效率很高。

刚上电时，电容上的电压为0，所以充电电流非常大，好比舀一勺水往水缸里面倒，如果水缸是空的，会在水缸底部溅起水花。电流往电容充电的瞬间产生的水花就是浪涌电流，浪涌电流非常大。电容两端的电压是不能激变，但电流会激变，激变的电流会形成浪涌电流。

过大的浪涌电流会损坏开关，以及会产生很多EMI问题。可以增加一个电阻可以减小浪涌电流对元器件的影响。

增加电阻R2确实可以避免产生浪涌电流，但是R2本身也会消耗功率，拉低了开关电源的效率。有没有什么办法，可以抑制电流突变，并且不会耗能？可以用电感代替，电感本质上就是一根导线，不会消耗能量。并且电感会阻碍电流的变化，流过它的电流不能激变，有效抑制了浪涌电流。

这就是俄国物理学家楞次在1834年发现的楞次定律，电流通过线圈时，会产生感应电流，感应电流的方向和原电流变化趋势的方向相反，如果原电流是在增大，感应电流的方向和原电流相反；如果原电流在减小，感应电流的方向和原电流相同。

buck电路最核心的器件就是电感，所有的buck电路都是以电感为基础进行能量转移的。

电感和电容的特点：
（1）电感上的电流不能激变，但电压可以激变，表现形式为电弧。
（2）电容上的电压不能激变，但电流可以激变，表现形式为浪涌电流
（3）电感和电容都是电抗器件，都不会消耗能量，并且都可以储存能量。电容以电压的形式储存能量，电感以电流的形式储存能量。Vin所有的能量都加给了负载，所以开关电源的效率非常高。

但也存在隐患，当开关S1断开时，流过L1的电流减小，感应电流的方向为自右向左，产生左负右正的电压，这个电压和电源串联，所以总电压非常大，并且是直接加在开关S1两端的。如果S1耐压不高，很容易烧坏。

电源1和电源2串联，并直接接到了开关S1两端。怎么来解决这个问题呢？开关S1断开后，必须给感应电流提供一条通路。如下图所示：

增加一个电阻R2，当开关S1断开时，L1感应出的电流可以通过R2从c点流回到b点。但当开关S1开通时，R2会发热，会消耗一定功率，有什么不会消耗功率并且是单向流通的器件？可以用二极管。

开关S1导通时，因为电容的存在，a点电压不会突变；开关S1断开时，电感感应出的电流可以继续给电容充电。这样设计之后，a点的纹波会很小。