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一篇文章搞懂BUCK開關(guān)電源基礎(chǔ)理論（上）
一篇文章搞懂BUCK開關(guān)電源基礎(chǔ)理論（中）
一篇文章搞懂BUCK開關(guān)電源基礎(chǔ)理論（下）
前言
在硬件開發(fā)的過程中，BUCK拓撲的開關(guān)電源是很常見的，相比于LDO的降壓方式 BUCK降壓的效率大大提高（尤其是在壓差高、輸出電流大的情況）。雖然BUCK降壓電路有一些缺點，比如引入開關(guān)噪聲、EMI、輸出電壓紋波相比于LDO偏大；但是僅憑電源效率這一點，BUCK降壓在高壓差、大功率的應(yīng)用場合作為首選。 今天我們就來詳細講解一下BUCK開關(guān)降壓的基礎(chǔ)理論知識。
一、為何BUCK降壓會在效率上遠優(yōu)于LDO？
LDO降壓和BUCK降壓工作原理的差異導(dǎo)致了兩種降壓方式的效率差異↓
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LDO實現(xiàn)降壓的本質(zhì)是LDO芯片（或?qū)崿F(xiàn)LDO功能的晶體管）將“多余的電壓”以熱量的形式消耗掉，以此實現(xiàn)降壓。
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以本圖為例當(dāng)輸入Vin=15V時，若通過LDO實現(xiàn)降壓，那么LDO所要承受的電壓Vldo=15V-5V=10V。假設(shè)負載電阻Rload需要從LDO攝取1A的電流，那么LDO以熱能形式消耗的功率P = Vldo * Iout = 10V * 1A = 10W。（還好只是假設(shè)，不然真的是非常恐怖的發(fā)熱量）。
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LDO降壓的效率公式：效率 = (Vout * Iout )/ (Vin * Iin)，由于Iout = Iin，則 效率 = Vout / Vin = 5/15 = 33.3%。
2.2 BUCK降壓原理
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BUCK降壓通過開關(guān)控制電感的儲能、釋放來完成降壓過程。大致原理為：當(dāng)開關(guān)閉合時，電感進行儲能；當(dāng)開關(guān)斷開時，電感將儲存的能量釋放。
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當(dāng)開關(guān)突然斷開時，由于電感要保持住充電時的電流(電感的特性為：改變電感兩端電壓從而盡力保持上一時刻的電感電流)，所以在電感的左側(cè)會出現(xiàn)較大的尖峰電壓。這時就要通過二極管來進行續(xù)流，保證開關(guān)不被尖峰電壓燒壞。
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電感儲能、釋放式的降壓方式保證了沒有大量電能以熱能方式被消耗，這就保證了效率（BUCK降壓的效率達到90%以上是很正常的事）。
小結(jié)：通過的原理分析可以知道，BUCK降壓使用電感進行儲能、釋放，相比于LDO消耗電能方式的降壓沒有過多的浪費能量，這就保證了電源效率處于較高水平。
二、電感的基礎(chǔ)理論知識
電感是BUCK開關(guān)降壓拓撲的核心元件，若想較好的理解BUCK降壓，那么電感的基礎(chǔ)理論知識是必須的。
2.1.電感的物理特性：
**電感對電流的變化量敏感，當(dāng)電感面臨電流變化時會產(chǎn)生一個方向電壓盡量的抑制電流變化。 **
讓我們來直觀的看一下↓
我們使用電阻R2來測量流過電感L1的電流，當(dāng)我們閉合開關(guān)時，我們發(fā)現(xiàn)電感電流沒有直接上升而是以指數(shù)緩慢上升。
電感電流的變化遵循公式：
I = Vin * （1- e ^ (-t*r/L) （開關(guān)閉合充電過程）；
I = Vin * （e ^ (-t*r/L)） （開關(guān)斷開放電過程）；
2.2 我們再來看一下電感兩端的電壓↓
2.2.1 當(dāng)開關(guān)閉合時
我們再來測一下電感兩端的電壓波形↑，我們可以看到當(dāng)開關(guān)閉合的瞬間，電感會產(chǎn)生一個左正右負的感應(yīng)電壓，來抑制即將產(chǎn)生的電流，感應(yīng)電壓初始幅值與輸入電壓相同。隨著時間的推移，感應(yīng)電壓逐漸趨于0V。
2.2.2 當(dāng)開關(guān)斷開時
當(dāng)開關(guān)斷開時，電感產(chǎn)生電動勢保持上一狀態(tài)的電流流動，就會產(chǎn)生右正左負的電動勢，由于開關(guān)斷開時已不能形成完整通路（因為開關(guān)已經(jīng)斷路），所以電感產(chǎn)生感應(yīng)電動勢在理論上是無窮大的（在上圖中可以看到，由于電感電壓無處釋放，電感兩側(cè)產(chǎn)生非常大的負尖峰），這種感應(yīng)電動勢對負載和開關(guān)都是非常有害的，這也就引出了BUCK降壓中的二極管的作用↓。
2.2.3 使用二極管續(xù)流
由于二極管的引入，電感在開關(guān)斷開時也形成了閉環(huán)，由于存在了泄放的回路，這時電感的感應(yīng)電壓便不再無窮大（在圖中可以看到，感應(yīng)電壓的大小與Vin相同），續(xù)流二極管一方面保護了負載和開關(guān)器件，另一方面也保證了能量不被浪費，提高了能量利用效率。
2.3 電感模型的數(shù)學(xué)表達：
通過以上的實驗結(jié)果我們大致摸清了電感的工作特性，但是若要徹底搞懂BUCK降壓的原理，還需要較為嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)表達！這里我將上文所涉及到的電感電壓、電流的數(shù)學(xué)表達式直接給大家。
① 電感電壓 U = L * （di / dt ）；感量一定的情況下，電感流過電流變化越劇烈，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢越大。
② 電感充電電流 I = Vin * （1- e ^ (-t*r/L) （開關(guān)閉合充電過程）；
③ 電感放電電流 I = Vin * （e ^ (-t*r/L)） （開關(guān)斷開放電過程）；
2.4 電感選型時的基本參數(shù)：
除了電感的理論基礎(chǔ)以外，在實際的工程應(yīng)用時，主要關(guān)注的電感的參數(shù)有4個↓
①電感額定電流： 選取額定電流時要留20%的余量
②電感飽和電流： 當(dāng)電感實際電流超過電感本身的飽和電流時，電感就失去了儲能與釋放能量的能力（近似于一根導(dǎo)線），所以選型時要保證電路工作電流小于電感飽和電流，通常留20%的余量。
③電感最大電流：電感流過的電流分為交流和直流部分，要保證峰值電流小于電感最大電流，也是留20%余量。
④電感感值：這個不解釋
結(jié)束：
今天較為充分的敘述了LDO、BUCK的工作原理的不同，以及兩種降壓效率不同的原因，又詳細講解了電感的基本特性。由于篇幅原因，BUCK降壓的基本原理分（上）、（中）、（下）三篇進行講述。
在下一篇文章↓
一篇文章搞懂BUCK開關(guān)電源基礎(chǔ)理論（中） 里，我將詳細講述BUCK降壓的理論知識，包括BUCK的三種工作模式、伏秒方程推導(dǎo)、電感值的計算等。
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至今為止關(guān)于BUCK電源更新了三篇文章：
一篇文章搞懂BUCK開關(guān)電源基礎(chǔ)理論（上）
一篇文章搞懂BUCK開關(guān)電源基礎(chǔ)理論（中）
一篇文章搞懂BUCK開關(guān)電源基礎(chǔ)理論（下）
較為詳細的介紹了BUCK降壓拓撲中的基礎(chǔ)理論計算，后面我還會繼續(xù)更新文章實際搭建BUCK降壓電路，將理論應(yīng)用到實際電路中！
歡迎大家關(guān)注，如果有任何問題，希望大家在評論區(qū)批評指正！謝謝！