五分钟讲透开关电源buck降压基本原理

我们使用buck开关电源简化之后的原理图来讲解它的基本原理。buck降压电路的本质就是通过不停的开关来达到降压的目的,所以叫它开关电源。

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它的输入是12v的直流电,然后我们给它不停的开关,波形就变成矩形方波。如果是有一半时间闭合,一半时间断开,则它最后可以输出6v的电压。因为我们的开关只有一半的时间是闭合的,所以最后输出的电压也是12 v的一半。

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而我们要得到5 伏的电压,那么就需要42% 的时间闭合,58%的时间断开。

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但这不是我们要的直流5V电,怎么把这些矩形波变成直流5V呢?那就得靠这几个元件了。当我们闭和开关这一段时间,它的输出波形是这样的。

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此时二极管截止,这时候电源开始给电感和电容储能,同时给负载供电,但是电感的电流不能突变,此时电感为了阻止电流增加,会感应一个与电源相反的电压,这个电感会抵消一部分电源电压,使得负载端的电压达不到12V,而在5V左右。

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因为另外的电压都加在了电感身上,随着时间的增加,电感身上的电压会慢慢减少,而负载电压慢慢增加。如果时间稍长,电感身上的电压将降为0v,而负载的电压变为12v。因为通过电感的电流如果没有变化,那么它就只相当于一段导线了。所以我们应该严格控制开关通段的时间。

当开关断开这一段时间,它的输出波形是这样的。此时电感为了阻止电流的减少,感应出了这样的电压。这时候电感相当于这个电路的电源,有电感给负载供电,通过二极管形成回路。

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随着时间的增加,电感里面的能量慢慢减少,负载两端的电压也慢慢降低,不等负载的电压降为零,开关就又闭合了,又开始了新的一轮充电。在连续模式下,它的波形就成了这个样子,有效值差不多接近5 伏电容,在这里面起到了储能滤波的作用。如果没有它,波形会变得很尖锐。

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在实际电路中,由晶体管控制电路的开关,它在一秒之内就能开关上万次。还有就是这个开关电源的效率可达90% 以上,它的主要损耗是这四个地方。

  • 第一个是电感的等效电阻会消耗能量 
  • 第二个是电容的等效电阻
  • 第三个是二极管导通压降
  •  第四个是晶体管饱和导通时的电阻。
  • 不过令人兴奋的是,这四项损耗加起来也不到10%。0e59f002d3c7c22559283058a372e09b.jpeg

    最后我们再来看一下它是如何降压的。当我们闭合开关时,有一部分电压被施加在了电感上,但只是把能量储存起来了,消耗的能量很少,这时候输出可达5 伏。而线性电源的话,这一部分都以热量的形式白白浪费了。这就是为什么开关电源的效率高。然后当开关断开之后,电感上的电压开始给负载充电使负载继续保持5v。这就是开关电源的大致原理。

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