開(kāi)關(guān)電源興趣小組第2次任務(wù)
2026年02月04日 04:011、《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)(第3版)》圖1.1是否有錯(cuò)誤？如果有錯(cuò)，錯(cuò)在哪里？
該圖中電路是錯(cuò)的，錯(cuò)在兩個(gè)二極管中下面那個(gè)二極管與電容串聯(lián)，沒(méi)有直流通路，當(dāng)然也就無(wú)法為負(fù)載供電。
正確的電路如下：
這是很簡(jiǎn)單的全波整流電容輸入濾波電路。
2、某單片機(jī)需要接收串口信號(hào)，并根據(jù)串口信號(hào)將數(shù)據(jù)用8位數(shù)碼管顯示出來(lái)。電源電壓為24V，擬用一片7805線性穩(wěn)壓器為單片機(jī)和8位數(shù)碼管供電。請(qǐng)估算7805效率。你認(rèn)為這個(gè)方案是否能夠接受？
7805這類三端線性穩(wěn)壓芯片，自身耗電比較小(典型值4～8mA)，相對(duì)于負(fù)載電流可以忽略，所以可以粗略地認(rèn)為7805負(fù)載上的電流(輸出電流)等于輸入電流。既然輸出電流等于輸入電流，那么效率就等于輸出電壓比輸入電壓。對(duì)本例來(lái)說(shuō)，為5/24＝20.8％。考慮到8905自身消耗電流，實(shí)際上的效率比此值還要小一些。
這么低的效率通常是不能接受的。
即使設(shè)計(jì)者不怕效率低，此方案也存在散熱問(wèn)題。假定單片機(jī)和8位數(shù)碼管消耗電流150mA，那么7805上的功率耗散約為(24V－5V)*0.15A＝2.85W。這是個(gè)比較大的功率，7805需要加上一個(gè)體積不算太小的散熱器才能夠正常工作。若是輸出電流更大，那么發(fā)熱當(dāng)然也更大，需要更大的散熱器。
第02次活動(dòng)，請(qǐng)各位閱讀《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 第三版》第1章第3.1節(jié)“Buck開(kāi)關(guān)型調(diào)整器”、第1章第3.2節(jié)“Buck調(diào)整器的主要電流波形”。
這兩節(jié)主要是講Buck電路工作原理。Buck電路也稱Step-down電路，或者稱降壓調(diào)整器電路。
在這兩節(jié)中，假定元器件都是理想的。而且必須注意：這兩節(jié)中的波形都是開(kāi)關(guān)電源工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的波形。所謂穩(wěn)態(tài)，并非指電路中各點(diǎn)電壓電流不變化，而是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電壓電流的變化與前一個(gè)周期完全相同。所謂沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)態(tài)，是指一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電壓電流與前一個(gè)周期不完全相同。開(kāi)關(guān)電源上電后，不是穩(wěn)定工作，后一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的電壓電流與前一個(gè)周期并不相同。但經(jīng)過(guò)若干周期后，后一個(gè)周期的電壓電流與前一個(gè)周期的差別逐漸減小，逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。
但是，這本書在這兩節(jié)里面只講了Buck電路的電流連續(xù)工作模式，而未講Buck的電流斷續(xù)工作模式，原因可能是電流斷續(xù)模式的Buck變換器使用比較少。而且，對(duì)Buck電路一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)階段的文字?jǐn)⑹霾皇呛茉敿?xì)，也沒(méi)有給出理想元器件情況下，PWM占空比與輸入輸出電壓的關(guān)系。
如果對(duì)這本書的敘述不滿意，或者感覺(jué)看不懂，請(qǐng)看《雙向直流變換器》第2.1.1節(jié)“Buck直流變換器”的一、二、三、四、五段。《雙向直流變換器》對(duì)Buck變換器敘述得詳細(xì)很多，而且是電流連續(xù)工作模式和電流斷續(xù)模式放到一起對(duì)比著講，還給出了PWM占空比、輸入電壓、輸出電壓等等變量之間的關(guān)系。當(dāng)然，篇幅也比較大。強(qiáng)烈建議參考《雙向直流變換器》第2.1.1節(jié)“Buck直流變換器”。 《雙向直流變換器》這本書，是把Buck變換器的電流連續(xù)模式和斷續(xù)模式放在一起講，這樣便于學(xué)習(xí)者對(duì)照參考，比較容易理解。
但閱讀《雙向直流變換器》這本書時(shí)，需要注意，該書“圖2.1 Buck變換器的主電路及其主要工作波形”中，波形最下面一行輸出電壓波形是不夠正確的。正確的波形什么樣，以后再說(shuō)。
對(duì)沒(méi)有接觸過(guò)開(kāi)關(guān)電源工作原理(康華光模擬電路教材中，開(kāi)關(guān)電源部分加了星號(hào)，是選用部分)的網(wǎng)友來(lái)說(shuō)，Buck變換器電路工作原理是入門第一課，務(wù)必要下些功夫，充分掌握。這部分掌握了，再理解Boost電路和Buck-Boost電路以及正激、反激電路就比較容易了。
如果閱讀之后仍然不理解Buck電路如何工作，可以試試看下面的波形動(dòng)圖。
需要說(shuō)明：圖中藍(lán)色箭頭表示電動(dòng)勢(shì)，是電壓的反方向。之所以采用電動(dòng)勢(shì)方向，是因?yàn)殡姼兄须妱?dòng)勢(shì)方向與電流方向之間的關(guān)系容易記憶(楞次定律)。所以，負(fù)載旁的藍(lán)色箭頭也是表示電壓的反方向。綠色線表示電感中的磁通。紅色箭頭表示電流方向，其大小用箭頭長(zhǎng)度表示。當(dāng)然，此動(dòng)圖僅表示了理想元器件工作，且僅限于Buck變換器電流連續(xù)工作模式。圖中用一個(gè)理想開(kāi)關(guān)代替了《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 第三版》圖1.4中功率開(kāi)關(guān)管。
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第2次思考題
1、《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 第三版》圖1.4中第4行(d)是開(kāi)關(guān)管Q1中電流波形，第5行(e)是二極管D1中電流波形。這兩行波形中，Q1關(guān)斷時(shí)的電流為I2，D1立即導(dǎo)通，電流也是I2，Q1重新導(dǎo)通時(shí)電流為I1，D1關(guān)斷時(shí)電流也是I1。為什么Q1關(guān)斷后電流完全流過(guò)D1，Q1重新導(dǎo)通時(shí)D1中電流完全流過(guò)Q1？
2、試畫出《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 第三版》圖1.4中電容兩端電壓即輸出電壓波形以及通過(guò)電容的電流波形。建議根據(jù)《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 第三版》圖1.4中第6行(f)電感電流波形來(lái)畫。
3、如果《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 第三版》圖1.4中二極管D1損壞(開(kāi)路)，電路將發(fā)生什么事情？如果二極管D1損壞(短路)，將發(fā)生什么事情？
4、實(shí)際的二極管都存在反向恢復(fù)時(shí)間，即二極管通有一定正向電流時(shí)突然施加反向電壓，二極管不能立即關(guān)斷，而是在一定時(shí)間內(nèi)反向流過(guò)大電流。普通整流二極管例如1N5408，實(shí)測(cè)反向恢復(fù)時(shí)間為10微秒甚至更多，而快恢復(fù)二極管UF4007則只有50納秒。當(dāng)《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 第三版》圖1.4中使用了1N5408這類普通二極管充當(dāng)續(xù)流二極管D1，當(dāng)Q1由關(guān)斷突然轉(zhuǎn)入導(dǎo)通時(shí)，會(huì)發(fā)生什么事情？
5、圖1.4各波形中，Q1中電流和D1中電流是連續(xù)的，即Q1中電流從某值變?yōu)榱銜r(shí)D1中電流即從零變?yōu)樵撝怠Ｊ欠翊嬖谶@樣的模式：D1中電流已經(jīng)降到零，但Q1尚未導(dǎo)通，所以電感中有一段時(shí)間電流為零？