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张龙祥

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buck电路中的电感电流波形是怎样的

buck电路中的电感电流波形是怎样的?
电感的工作模式有哪几种?

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向婧宇

2021-9-29 10:57:33
  1.没有电容,a点的波形图
  
  上图中,把所有器件都想象为理想状态下,开关S1闭合和断开的过程,流过L1的电流的波形是怎样的?
  (1)开关闭合时,电流开始升高:
  根据电感公式,得:电流变化率 = Vin / L = 15 / L。
  (2)电路稳定时,也就是电流变化率为0,L1两端的电压为0.
  (3)开关断开时,D1把电感两端的电压钳位在0.7V,因为b点为地,是0V,所以a点就是-0.7V;根据电感公式,得:电流变化率 = -0.7 / L。
  从这里可以看出,上升的斜率比下降的斜率大,所以波形如下图所示:
  
  可以看出电流是失控的,会一直增大。只有当电流的上升频率和下降频率相同时,开关电源才能维持稳定的电压。
   
  2.有电容,a点的波形图
  
  (1)导通瞬间,电流直接流过C1,负载被短路,相当于15V直接接在L1中,此时电流上升斜率 = 15 / L。如果此时断开开关,因为是突然断开,是高频信号,会直接将电容C1短路,所以电感两端的电压和D1两端的电压相等(二极管将电压钳位在0.7V)。电流下降斜率 = 0.7 / L。
  (2)随着导通的进行,开始对C1充电,假设充电到2V。Vc为2V,那么电感两端电压为15 - 2 = 13V,此时电流上升斜率 = 13 / L。如果此时断开开关,C1两端电压为2V,二极管两端的电压为-0.7V,所以电感两端必须为2.7V,此时电流下降斜率 = 2.7 / L。
  从这里可以看出,电感电流上升过程中,斜率逐渐变小,由最开始的15 / L,到后来的13 / L;电感电流下降过程中,斜率逐渐变大,由最开始的0.7V / L,到后来的2,7 / L。
  通过上述分析(这里不好理解):加了一个电容后,电感电流的上升斜率和下降斜率达到一个平衡(最终相等)。总之,上图所示的电路图,只要开关S1开和关的频率固定,a点电压几乎非常稳定。
   
  3.稳定a点电压的方法
  只要起点和终点一样,a点电压就非常稳定。
  (1)上升频率和下降频率相同,可以使输出稳定。
  
  (2)上升频率比下降频率高,但下降时间更长。
  
  (3)上升频率比下降频率低,但下降时间短。
  
   
  4.电感工作模式
  因为电感是和负载串联的,所以电感上的电流大小就是负载中的电流大小。
  (1)连续模式
  
  中间蓝色的线对应的电流值,就是电感输出的平均电流。电感电流的峰峰值都不为0,称为连续模式,也简称CCM。这种模式最常用。
  (2)临界模式
  
  电流的下峰值为0,称为临界模式,因为是连续的,也可以称为临界连续模式,简称BCM。
  (3)断续模式
  
  电流下降到0后,过一段时间电流才开始上升。也就是一个周期中,有一段时间电流为0,这种模式称为断续模式,简称DCM。
  一般是让电感工作在连续模式,系统比较稳定。
   
  5.伏秒法
  要怎样才能让系统输出稳定电压呢?也就是电感不会失控?只要保证以下公式成立即可:
  上升的△V * △t = 下降的△V * △t
  电流上升时电压的变化量 * 时间 = 电流下降时电压的变化量 * 时间,开通时电压和时间的积分要和关断时候的积分相等。因为是电压乘以时间,所以被称为伏秒法。
  
  只要红色的面积和绿色的面积相等,就能保证电感输出稳定的电流。
  当时大多数情况下,上升的△V和下降的△V不相等,所以需要调节开关的导通和关断时间,让两者和时间相乘后相等,乘积相等即可,满足伏秒法则,电感工作就比较稳定。
   
  6.总结
  (1)感应电压的大小与电流的大小无关,只和电流的变化率有关。
  (2)对于buck电路而言,因为电感和负载串联,所以电感的电流和负载电流相同,并且因为流过电感的电流是有纹波的,所以这里说的是电感的平均电流。
  (3)对于连续工作模式下的电感,电感的平均电流位于电流波形图的几何中心,也就是下图的蓝色部分。
  
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