（绝对原创）深度刨析CPU供电原理及上下管为何要一起更换之迷

会员6796 · 发表于 2010-10-30 20:50:50

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本帖最后由陈祖平于 2010-10-30 21:22 编辑

自从和老板打官司以来，哥就没了在写字的心情。今天看到基地在兑换礼品，哥一下兑换了两个，现在没分了，等级也降为正式维客。为了赚点积分，把等级早点提上去，只好又卖一把子力气。如果大家还认可哥写的东西，就希望大家多多加分。
好了先上图，保持哥一贯的作风，为了方便解说，还是作了简化。用两个开关代替了上管和下管。

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相信大家都知道在更换这个电路的时候，最好是两只MOS管一起更换。那么为什么要两只管子一起换呢，原理上怎么解释呢？相信大家听完下面的分析就知道了！
说道CPU供电电路原理，我相信很多人都会说，这有什么难得，我早就清楚了。呵呵确实是这样吗？先听哥讲完你在说
好了下面就来说说上面这个电路的原理，看看你和哥说的是不是一样的。该电路的原理就是：
“当K1导通，K2截止时，VCC通过K1和L向负载RL供电，并且向电容EC充电，当K2导通，K1截止时，电容向负载RL放电形成回路”看看就这么简单，不知道有多少人理解的和这个叙述的是一样的，如果你和这个理解的是一样的，那么哥要恭喜你。你答错了，并且是大错特错。至于为什么呢，接下来咱们就讲这个问题。
其实这个电路真正的工作原理是这样的：
“当K1导通，K2截止时，VCC就通过K1想负载L提供电流，同时在L上感应一个左正右负的电压，当K2导通，K1截止时，电感L两端的电流不能突变，也就是说他要维持之前的电流，那么这个之前的电流是怎么样的呢？这个之前的电流，也就是K1导通，K2截止时的电流，是从A流到B的。为了维持这个电流，所以电感L上存储的磁能就会感应一个右正左负的电压，这个在电源上有一个专有名词叫”电压突变“也就是电感在K1导通，K2截止时电压本来是左正右负的，但是在K1和K2的状态转换的瞬间，电感L上的电压就变成右正左负了。所以K2导通，K1截止时电感上产生的这个右正左负的感应电压就通过B点，负载RL，K2，A点，形成在K2导通时的电流回路。也就是说K2导通时并不是由电容EC向负载提供电流的，而是由电感提供在K2导通时的电流，电感在这里主要的作用就是和L形成低通滤波器以使在A点的PWM波变成平缓的直流“
好了，接下来在说两只MOS管一起更换的原理。
”相信大家都知道，MOS损害一般说来只有两种情况：1 开路；2 短路，下面分别讨论，当然只讨论下管，因为上管如果是因为他自身质量不良损坏的话对下管是没影响的，这个相信大家都看的出来，所以就不用多说
1 当下管短路时，通过上图可以看出，VCC提供的电流就全部经过短路的K2到地，这个电流显然比K2截止时VCC提供的电流经过电感，负载RL到地大的多，同时K1的管压降等于VCC。根据W=V*I，虽然V并没增加，但电流增加，W也增加，所以K2一但短路是有可能会损害K1的，但这时只要不是长时间的工作，上管K1一般是不会损坏的因为在设计的时候，设计师都留有很大的余量。也就是说当下管K2短路，短时间通电，上管不是一定就会损坏的，甚至只要上管的功耗足够大，就算长时间通电，上管也不会损坏。
2 当当下管开路时，根据上面原理的分析可以得知从K1导通，K2截止，转换到K2导通，K1截止时，电感两端的感应电压发生了突变，也就是上图中A点为负，B点为正，这时可以看出K1两端的电压是等于（VCC-（-A点电压）），所以当电路转换到K1导通时，流过K1的电流就会大增，还是根据W=V*I，这是可以看出K1的功耗在极端时能达到正常工作时的4倍左右，所以K1损坏就是很自然的事了。
那么为什么只要K2正常工作，上管就不会损坏了呢？根据上图，A点为负时，当电路从K1导通，K2截止，转换到K2导通，K1截止时因为K2导通，就把A点的电位嵌位在K2的导通管压降了，也就是说，这时A点的电压就=地电压（0V）+（-K2的管压降），以三极管为列说明，三极管的导通管压降比如取0.3V，那么此时因为K2的导通作用。此时A点电压=0V+（-0.3V）=-0.3V，那么此时K1的管压降=VCC-（-0.3V）=VCC+0.3V，电流还是从K1经过L，负载RL到地，可见这时K1的功耗W=（VCC+0.3）V*I，因为I并没增加，而电压也只增加了0.3V，所以K1自然就不会损坏了

[size=5]多谢红尘一笑兄弟的提醒，输入波形画错了，两个波形因该是相差180度的。
[/size]

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会员147906 · 发表于 2010-11-3 09:42:41

LZ辛苦了，不过对LZ的看法本人却有不同之处，现只提两点出来探讨下：
1，K2导通时，电感在这里主要的作用就是和L形成低通滤波器以使在A点的PWM波变成平缓的直流。
针对这一说法，我想提个问题：这时的输出的能量是从哪来的？相信很多人都知道这是电感将之前存储的磁能转换为电能释放出来的。那么看来，电感在此就是一个能量存储转换元件，低通一说有些不解。各位百度下“自感'即可见分晓。
2，当下管开路时，这时可以看出K1两端的电压是等于（VCC-（-A点电压）），所以当电路转换到K1导通时，流过K1的电流就会大增，还是根据W=V*I，这是可以看出K1的功耗在极端时能达到正常工作时的4倍左右。
  这一说似乎说的是此时K1两端电压增加了，可是一个不争的事实是:K导通后，其管压降基本是不变的，这个可以从其参数中找到答案。还有电流增大一说如果按先前LZ所说：电感要”维持之前的电流“，（这里所说正是自感特性）那电流怎么又会瞬间增大呢？
      本人认为不妨这样来解释这一问题：下管开路，那电感失去了能量释放回路。当下一次上管导通时，电感的能量存储还是饱和的，这叫磁饱和。这时电感失去了电感特性，它就相当于一根导线，如此一来上管一导通，其电流必将达到很大的一个值......
   最后要说明的是回这种帖最怕的不是拍砖，而是别人误解本人的动机：天地良心，我只是说下自己的看法，探讨技术而已。对与不对，百度一下......当然，是否知道这问题的真象，好象并不影响各位修机。

会员6796 · 发表于 2010-10-30 20:52:37

最下面哪个图是多的，请斑竹删掉

会员6796 · 发表于 2010-10-30 21:06:34

回复 广德星 的帖子

楼上真伤哥心呀，写的这么详细居然说看不懂，

会员142934 · 发表于 2010-10-30 21:11:37

楼主你有没有注意你的输入信号的波形是不正常的？

会员6796 · 发表于 2010-10-30 21:13:04

回复 红尘一笑哈哈 的帖子
我只是画个示意图而已

会员195851 · 发表于 2010-10-30 21:53:40

那么为什么只要K2正常工作，上管就不会损坏了呢？根据上图，A点为负时，当电路从K1导通，K2截止，转换到K2导通，K1截止时因为K2导通，就把A点的电位嵌位在K2的导通管压降了，也就是说，这时A点的电压就=地电压（0V）+（-K2的管压降），以三极管为列说明，三极管的导通管压降比如取0.3V，那么此时因为K2的导通作用。此时A点电压=0V+（-0.3V）=-0.3V，那么此时K1的管压降=VCC-（-0.3V）=VCC+0.3V，电流还是从K1经过L，负载RL到地，可见这时K1的功耗W=（VCC+0.3）V*I，因为I并没增加，而电压也只增加了0.3V，所以K1自然就不会损坏了( ]
k2导通时K1不是截止吗？？怎么K1还有功耗呢？
大哥你写的很好，呵呵，我看明白了

会员6796 · 发表于 2010-10-30 22:08:52

K2导通，K1截止，但当下一个脉冲来时，K1就会导通在他导通的瞬间，电感电压还没变化前就已经把K1给烧毁了。这下管开路必定会损坏上管的一个主要原因，另一个原因是就算K1截止，如果K2开路的话，那么K1承受的电压也是 2倍VCC，假设VCC18V的话，那么K2开路K1承受的电压就是36V，而K2如果正常的话，K1只承受18.几V不到19V

会员77136 · 发表于 2010-10-30 22:21:24

记得以前学校讲电感时也说过电感会产生一个右正左负的电压.
楼主讲得细....学习了

会员195851 · 发表于 2010-10-30 22:24:26

明白了，L上的电压还没来得及变化，K1又导通了，所以电压全加在K1上就报销了。

会员195851 · 发表于 2010-10-30 22:28:02

回复 凌空舞笔 的帖子

呵呵，这个叫楞次定律，刚刚才记起这个人的名字。

会员214493 · 发表于 2010-10-30 22:28:46

讲得好怎么没人加分啊！

会员153847 · 发表于 2010-10-30 22:44:19

写得好，好文章，顶个

会员225241 · 发表于 2010-10-30 22:46:43

饼哥怎么不回复呢？

会员233838 · 发表于 2010-10-31 09:30:12

看来又要再把物理书拿出来大补一下了

会员212150 · 发表于 2010-10-31 12:10:26

有点明白，又有点不明白。

会员163090 · 发表于 2010-10-31 16:45:05

很简单的原理，Ε=-L*di/dt

�*** · 发表于 2010-10-31 19:14:15

看来我真是文盲了。。。

会员247301 · 发表于 2010-10-31 20:25:05

明白了一点点
不过反正记住下管短路或开路，上管必坏就OK了

会员202306 · 发表于 2010-10-31 22:57:30

回复陈祖平的帖子

其实上下管导通也不是相差180°
在设计的时候，上管截止到下管导通中间有一定的延时，目的是避免芯片误动作，同时一瞬间的导通。

会员195851 · 发表于 2010-11-1 00:28:45

LS说的那个叫死区时间。
死区时间　　死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段。通常也指pwm响应时间。　　由于IGBT（绝缘栅极型功率管）等功率器件都存在一定的结电容，所以会造成器件导通关断的延迟现象。一般在设计电路时已尽量降低该影响，比如尽量提高控制极驱动电压电流，设置结电容释放回路等。为了使igbt工作可靠，避免由于关断延迟效应造成上下桥臂直通，有必要设置死区时间，也就是上下桥臂同时关断时间。死区时间可有效地避免延迟效应所造成的一个桥臂未完全关断，而另一桥臂又处于导通状态，避免直通炸模块。　　死区时间大，模块工作更加可靠，但会带来输出波形的失真及降低输出效率。死区时间小，输出波形要好一些，只是会降低可靠性，一般为us级。一般来说死区时间是不可以改变的，只取决于功率元件制作工艺！

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