【想法記錄】開關(guān)電源對偶拓?fù)洹娏髯儞Q拓?fù)?/h1>
前言
? ? ? ??開關(guān)電源有三個最為基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：buck、boost和buck-boost，它們?nèi)齻€均屬于電壓變換拓?fù)?，進(jìn)行電壓（Voltage）變換。因為生活中常使用電壓源，所以電壓變換應(yīng)用非常廣泛。但世界上眾多事物存在對偶的，有電壓源就有電流源，所以有電壓變換拓?fù)渚陀须娏髯儞Q拓?fù)?。電流變換拓?fù)湫杞尤腚娏髟矗⑦M(jìn)行電流（Current）變換。在此想法下，我設(shè)計（推導(dǎo)）出了三個拓?fù)潆娐?，并且它們均與電壓變換拓?fù)鋵ε肌?/p>
? ? ? ??對偶電路首先就是電容和電感互換；同時在連接方式中，串聯(lián)和并聯(lián)需要互換；開關(guān)中，閉路和開路互換。在電壓變換拓?fù)渲械年P(guān)鍵元件是電感，在穩(wěn)態(tài)時需滿足伏秒平衡。同理得在電流變換拓?fù)渲械年P(guān)鍵元件是電容，在穩(wěn)態(tài)時需滿足安秒平衡。根據(jù)這些規(guī)則即可推出以下電路。
1、buck降流拓?fù)?/strong>
? ? ? ??第一眼看過去是有點反直覺的，畢竟開關(guān)處于閉合狀態(tài)，回路處于短路態(tài)。這是因為輸入端是電流源，而電流源被短路時輸出功率為零（與電壓源開路對偶），所以開關(guān)是處于常閉狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)打開時傳輸功率。
PS：關(guān)于電流源可觀看我的視頻：https://www.bilibili.com/video/BV1zL4y1G7mk
? ? ? ??其工作過程可簡述為：當(dāng)開關(guān)打開時，輸入電流必須換路并通過二極管，并在輸出濾波電感處流走一部分電流至負(fù)載。因為輸出電感電流不能突變，于是多余的電流將進(jìn)入電容存儲起來，電容電壓升高。當(dāng)開關(guān)閉合時，輸入電流全被開關(guān)分走，不再往輸出端傳送能量，并且二極管阻止電流回流，電容電流只能通過輸出電感。在開關(guān)閉合的時間內(nèi)電容把剛剛存儲的電荷（升高的電壓）釋放并用以供給負(fù)載。
? ? ? ??設(shè)開關(guān)打開時間為ton，開關(guān)閉合時間為toff（與電壓拓?fù)湔孟喾矗?，則占空比D=ton/toff。根據(jù)電容的安秒平衡，即可推出降流拓?fù)漭斎腚娏?、輸出電流和占空比的關(guān)系式，它與電壓拓?fù)湫问饺绯鲆晦H：
2、boost升流拓?fù)?/strong>
? ? ? ??升流拓?fù)湓诔跏紶顟B(tài)看上去并沒有回路，其實是回路在負(fù)載。升流拓?fù)溆袀€“毛病”在于即使開關(guān)不工作，輸入電流也必須經(jīng)過輸出端，全部通過負(fù)載以形成回路。也就是說負(fù)載端一開始就有電流并且嚴(yán)禁開路。其實反觀電壓拓?fù)湟矔l(fā)現(xiàn)對偶的要求：即使開關(guān)不工作，輸出端就具有輸入電壓，并且負(fù)載嚴(yán)禁短路。
? ? ? ??當(dāng)開關(guān)打開時，輸入電流原回路被切斷，電流只能通過電容，電容開始積聚電荷，電壓升高。但這個時間不能太久，因為電容電壓升高是無限制的（理論上）（同理，電壓拓?fù)溟_關(guān)也不能長時間閉合，因為電流升高無限制）。與此同時，輸出端電流完全靠輸出濾波電感維持，并通過二極管形成回路。當(dāng)開關(guān)閉合后，輸入電流和電容電流兩者一起疊加注向輸出端，導(dǎo)致輸出端電流比輸入端高，完成升流過程。
? ? ????同樣根據(jù)安秒平衡，可推導(dǎo)出升流拓?fù)涞膫鬟f函數(shù)：
3、buck-boost升降流拓?fù)洌ǚ醇ね負(fù)洌?/strong>
? ? ? ??該拓?fù)渲校O管的方向看起來有點不太對勁，這是因為該拓?fù)涞妮敵鲭娏鞣较蚴?span id="2s04ssssssss" class="color-pink-03">反向的，所以也稱為反激拓?fù)?。電容橫跨在輸入輸出端之間，使得純直流成分不能直接傳送到對面。
? ? ? ??在開關(guān)打開期間，輸入電流需通過電容后，經(jīng)過二極管返回?；蛟S有人好奇電流為什么不經(jīng)過負(fù)載，那是因為負(fù)載電流是反向的，無法通過濾波電感。這時候負(fù)載電流完全靠輸出濾波電感維持，并通過二極管返回負(fù)載。也就是說二極管需要承受輸入電流和輸出電流兩者的疊加和（在電壓拓?fù)渲?，二極管需要承受兩者的電壓疊加）。開關(guān)閉合時，輸入電流被開關(guān)導(dǎo)走，此時電容開始反攻，電容在開關(guān)打開期間充入電荷引起升起的電壓，開始施加向負(fù)載，這時候電容放電回路電流方向是和輸入電流方向反向的，這也是負(fù)載端電流方向反向的原因。此時開關(guān)需要承受輸入和輸出電流的和，與二極管一樣（也與電壓拓?fù)漕愃?，開關(guān)需要承受兩者的電壓疊加）。
? ? ? ??根據(jù)電容安秒平衡，可推導(dǎo)出升降流拓?fù)涞膫鬟f函數(shù)：
規(guī)律總結(jié)
? ? ? ??在電壓變換拓?fù)渲杏幸粋€關(guān)鍵節(jié)點稱為SW（Switch）節(jié)點，這個節(jié)點電壓在開關(guān)和電感的作用下反復(fù)上下跳變，因此電感必有一端與其連接。電感的另一端分別與輸出、輸入、地連接，便依次形成了buck、boost、buck-boost三種電壓變換拓?fù)?。一樣的在電流變換拓?fù)渲?，有一個關(guān)鍵回路稱為SW回路，這個回路電流在開關(guān)和電容作用下反復(fù)換向（如果有一個磁針，就能測到該回路的磁場在反復(fù)North-South切換），因此電容必然在此回路中。電容依次跨在輸出--地、輸入--地、輸出--輸入，同樣形成了buck、boost、buck-boost三種電流變換拓?fù)洹?/p>
? ? ? ??關(guān)于實用性，因為生活中使用電流源作為輸入的應(yīng)用情況很少，即使有電流源輸入更多是作為信號而不是作為功率，所以這三種電路當(dāng)前應(yīng)用還是受限的，除非哪天技術(shù)發(fā)展突然有這個需求，然后就用到了呢？留個底也不是個壞事。
by HD-nuke8800
2022/10/22
