開關(guān)電源，顧名思義，是利用電子開關(guān)器件（如晶體管、MOSFET等）的快速“開通”與“關(guān)斷”特性，對(duì)輸入的直流電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，再通過濾波電路得到穩(wěn)定直流電壓的一種高效電源變換器。在眾多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，串聯(lián)式開關(guān)電源因其結(jié)構(gòu)簡單、效率高，在降壓應(yīng)用中最為常見，也被稱為降壓變換器（Buck Converter）或斬波器（Chopper）。
1?? 基本工作原理
串聯(lián)式開關(guān)電源最核心的思想是通過控制開關(guān)與輸入電源串聯(lián)的時(shí)間比例，來調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值。
我們可以從最簡單的模型入手，下圖所示。該電路由直流輸入電壓Ui、一個(gè)理想控制開關(guān)K和負(fù)載R組成。通過周期性地控制開關(guān)K的通斷，負(fù)載R上得到的是一個(gè)脈沖方波電壓，其波形如下圖所示。
開關(guān)閉合（Ton期間）：當(dāng)控制開關(guān)K接通時(shí)，輸入電壓Ui直接施加在負(fù)載R上，輸出一個(gè)幅度為Ui的脈沖電壓。
開關(guān)斷開（Toff期間）：當(dāng)控制開關(guān)K斷開時(shí)，電路斷路，負(fù)載R兩端電壓為0。
這個(gè)脈沖電壓的平均值Ua，也就是我們希望得到的直流輸出電壓，可以通過以下公式計(jì)算，
其中，Ton是開關(guān)接通時(shí)間，T是開關(guān)工作的總周期（T = Ton + Toff）。D = Ton/T 被稱為占空比（Duty Cycle），其取值范圍在0到1之間。從公式可以看出，輸出電壓的平均值Ua總是小于或等于輸入電壓Ui，因此這是一種降壓（Step-down）電路。通過調(diào)節(jié)占空比D，我們就能精確控制輸出電壓的大小。
2?? 關(guān)鍵元器件分析
上述簡單模型輸出的是脈沖電壓，無法直接為大多數(shù)電子設(shè)備供電。為了得到平滑的直流電壓，必須引入濾波電路。一個(gè)實(shí)用的串聯(lián)式開關(guān)電源電路如下圖所示，它在基礎(chǔ)模型上增加了儲(chǔ)能電感L、儲(chǔ)能電容C和續(xù)流二極管D。
這三個(gè)元器件的作用至關(guān)重要：
儲(chǔ)能電感L：串聯(lián)在電路中，主要作用是平滑電流。
在開關(guān)K接通時(shí)，它限制電流的上升速率，防止對(duì)負(fù)載的沖擊，同時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存起來。
在開關(guān)K斷開時(shí)，它釋放儲(chǔ)存的磁能，維持電流繼續(xù)流向負(fù)載，保證了電流的連續(xù)性。
儲(chǔ)能電容C：并聯(lián)在負(fù)載兩端，主要作用是平滑電壓，即濾除輸出電壓中的紋波。
當(dāng)電感電流大于負(fù)載電流時(shí)，多余的電荷對(duì)電容充電，儲(chǔ)存電能。
當(dāng)電感電流小于負(fù)載電流時(shí)，電容放電，補(bǔ)充能量給負(fù)載，從而使輸出電壓Uo保持穩(wěn)定。
續(xù)流二極管D：為電感電流在開關(guān)斷開時(shí)提供一個(gè)通路。
在開關(guān)K斷開的瞬間，電感L由于磁場(chǎng)能量的維持作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)左正右負(fù)的反向電動(dòng)勢(shì)，試圖維持電流繼續(xù)流動(dòng)。此時(shí)，二極管D正向?qū)ǎ瑯?gòu)成一個(gè)“續(xù)流”回路（L -> C/R -> D -> L），使電感能量得以向負(fù)載釋放。
3?? 電路工作狀態(tài)分析
為了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乩斫怆娐沸袨?，我們?duì)開關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷兩個(gè)階段進(jìn)行分析。假設(shè)輸出電壓Uo基本恒定（由于電容C很大，其電壓紋波很?。?/span>
1.開關(guān)K接通期間 (0 < t ≤ Ton)
此時(shí)，輸入電壓Ui同時(shí)加在電感L和其后的負(fù)載電路上。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，電感L兩端的電壓eL為：
由于Ui > Uo，電感兩端為正電壓，電感電流iL線性上升。對(duì)上式積分可得電流iL的表達(dá)式：
2.開關(guān)K關(guān)斷期間 (Ton < t ≤ T)
此時(shí)，開關(guān)K斷開，續(xù)流二極管D導(dǎo)通。電感L通過二極管D繼續(xù)為負(fù)載供電。此時(shí)電感L兩端的電壓eL為（忽略二極管壓降）：
此時(shí)電感兩端為負(fù)電壓，電感電流iL線性下降。對(duì)上式積分可得電流iL的表達(dá)式：
4??電流連續(xù)模式（CCM）與非連續(xù)模式（DCM）
根據(jù)負(fù)載電流、電感值以及占空比的不同，電感電流iL在一個(gè)周期內(nèi)的波形會(huì)有所不同，這決定了電源的工作模式。下面三張圖形象地展示了三種關(guān)鍵的工作狀態(tài)，分別是占空比=0.5，<0.5,>0.5。
臨界連續(xù)模式（Boundary Conduction Mode, BCM）
當(dāng)Ui = 2Uo（即占空比D=0.5）時(shí)，電感電流在Ton期間的上升斜率絕對(duì)值與Toff期間的下降斜率絕對(duì)值相等。在一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，電感電流iL恰好降到零。這種狀態(tài)是連續(xù)與非連續(xù)模式的臨界點(diǎn)。
電流非連續(xù)模式（Discontinuous Conduction Mode, DCM）
當(dāng)負(fù)載較輕或占空比D<0.5（即Ui > 2Uo）時(shí)，電感電流在Toff期間會(huì)下降到零，并保持為零直到下一個(gè)周期開關(guān)K再次接通。此時(shí)電路中存在一段電流為零的時(shí)間。這種模式的輸出紋波較大。
電流連續(xù)模式（Continuous Conduction Mode, CCM）
當(dāng)負(fù)載較重或占空比D>0.5（即U_i < 2Uo）時(shí)，電感電流在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)始終大于零，不會(huì)斷流。這是大多數(shù)高效、大功率開關(guān)電源工作的理想模式，其輸出紋波較小，電壓調(diào)整特性更好。
5??儲(chǔ)能元件的參數(shù)計(jì)算
為了使電源工作在期望的狀態(tài)（通常是CCM），并滿足輸出紋波要求，需要合理計(jì)算電感L和電容C的數(shù)值。
1.儲(chǔ)能電感L的計(jì)算：
電感L的選擇決定了電流紋波的大小，也決定了CCM和DCM的邊界。在臨界模式下（D=0.5），可以推導(dǎo)出電感值的計(jì)算公式：
其中Io為負(fù)載平均電流。選擇比計(jì)算值更大的電感可以確保電源在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)工作于CCM。
2.儲(chǔ)能電容C的計(jì)算：
電容C的大小直接決定了輸出電壓的紋波ΔUp?p。電容在充電和放電過程中電荷的變化量可以估算，從而推導(dǎo)出電容的計(jì)算公式：
為了獲得更小的電壓紋波，可以選擇更大的電容值。
??狗哥來劃重點(diǎn)
串聯(lián)式開關(guān)電源通過高頻開關(guān)、電感和電容的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了從高直流電壓到低直流電壓的高效轉(zhuǎn)換。其核心在于利用占空比（D）來控制能量傳輸?shù)墓?jié)奏，利用電感（L）平滑電流，利用電容（C）平滑電壓。對(duì)電路不同工作模式（CCM/DCM）的理解以及關(guān)鍵元器件參數(shù)的正確計(jì)算，是設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、高效的串聯(lián)式開關(guān)電源的基礎(chǔ)。
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