电感最广泛的使用场景在供电,升压电路和降压电路,都需要有一颗电感来储存能量和释放能量。很多小白朋友都太清楚电感升压电路的原理,所有的升压和降压电路,都用到了“ 电感电流不能突变 ”这个重要原理。即电感的中的电流是有惯性的,这个惯性就是电感储存的能量。
电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件,电感器的结构类似于变压器,但只有一个绕组。电感器具有一定的电感,它只阻碍电流的变化。电路接通时电感器将试图阻碍电流流过,电路断开时它将试图维持电流不变。电感器又称扼流器、电抗器等。
电感的第一个特性是电磁转换,通电的瞬间,电会变为磁并以磁的形式储存在电感内。而断电的瞬磁会变成电,从电感中释放出来。
电感的第二个特性是升压特性,当回路断开时,电感内的能量会以高电压的形式变换回电。如果电感线圈的自感系数很大,自感电动势就会很大,在很大的电势差之间的空隙,会产生很强的电场,甚至会击穿空气发生放电现象。附近若有人,会对其造成一定危险,如果附近有易燃物质,就有发生着火的危险。
下面给出由电感组成的升压电路最小系统,若不停地搬动开关,电感两端就会感应出很高的电压,并叠加在电源电压之上。这个开关也可以用三极管实现,通过在三极管的基极输入方波来控制三极管的开关,再利用二极管的单向导电性,输出正向或负向高压。
直流升压电路
在电路设计中,很多元器件(如CPU)经常需要采用5V直流供电,而普通电池的电压都是1.5V,因此当电路采用电池供电时,首先要解决的就是升压降压问题。
下面给出一种低成本的直流到直流(DC-DC)升压电路,该升压电路用DC/DC直流升压变换器(E50D、TP8350)作为主控,只需外接电感、电容、二极管等4个元件,就能实现最低0.8V到5V的升压,整个升压电路的成本约0.5元。
5V升压电路所需的元件
基于E50D/TP8350的直流升压电路原理图
其中,VIN为输入电压,来自电池的输出,只要输入电压高于0.8V,就能保证升压电路正常工作,并通过VOUT输出5V电压。升压电路的工作效率约为85%,输出电压误差小于2%。
升压芯片E50D的工作频率可达 300KHz,目的是为了能够减小外部电感L1的尺寸,该电路只需 4.7uH 以上的电感就可以保证正常工作,但考虑到负载可能需要较大的电流,本例使用47uH、寄生串联电阻小于0.5欧的电感。
输入滤波电容CIN是为了保证输出电压稳定,由是采用电池供电,而且升压电路距离电池很近,所以这里选用的是1uF电容,即使没有输入滤波电容,该DC-DC 升压电路也可以输出低纹波、低噪声的直流电压。
输出端电容COUT采用100uF的电解电容。
整流二极管D1对DC-DC升压电路的效率影响很大,这里选用向导通电压低、反应时间快的肖特基二极管SS34。
实验步骤
实验所需的全部元件
印刷电路板,一块
升压芯片TP8350/E50D,一片
47uH电感,一个
100uF电解电容,一个
1uF滤波电容,一个
5号电池盒,一个
电源开关,一个
升压实验全部元器件
1. 焊接元器件
由于选用的是贴片元件,首先需要大家把元件焊接在印刷电路板上,注意元件的焊接顺序,以不影响后续元件的焊接为宜。
另外,很多元件是有方向性的,比如肖特基二极管SS34,电解电容等,不能焊接反了。贴片的焊接方法,网上有很多视频教程。
电池盒不要焊接,装好电池后直接插在印刷电路板上就行,注意电池的方向。因为这个电路板还可以焊接剩余的元件,如果现在焊接电池盒,电路板尾部USB接口处的元件就不好焊接了,整个电路板建议最后焊接电池盒。
2. 插入电池盒,测试升压电路
电路焊接完成后,就可以插入电池盒,打开电源开关,用万用表的直流电压档测试排插的VCC和GND处的电压,应该是稳定的5V,说明升压电路工作正常。
如果升压电路不工作,一般是由于虚焊或者有的元件焊反了,请通电前仔细检查。
下图可以更明显看出升压电路的工作情况,其中电池部分加的是1.2V电压,整个电路可以正常工作。