开关电源的故事-起源-电感毛刺-凡亿课堂

毛刺现象是我们每一个电子爱好者避之唯恐不及的，今天我们来学习一个毛刺现象以及如何规避它，进而掌握电感升压的原理。

简单场管开关电路

让我们从一个简单的电路开始，该电路使用一个 N 沟道场效应管控制 20 欧姆所在电路的通断。换句话说，我们拿场管当开关用。

其中场效应管的1、2、3脚分别为门极（Gate）、漏极（Drain）、源极（Source）。在这里，我们主要关注场效应管漏极，也就是 2 脚的情况。

场效应管开关电路

当给 N 沟道场效应管门级施加高电压，这里是 5 V 时，电路导通，等效电路如下图所示：

场效应管导通等效电路

当给 N 沟道场效应管门级施加低电压，这里是 0 V 时，电路断开，等效电路如下图所示：

场效应管断开等效电路

下面是在面包板组装好的电路：

面包板上组装的场效应管开关电路

下面是上面电路的波形截图：

场效应管开关电路示波器截图

可以看到，当给场管门级施加高电平时，电路导通，场管漏极与地短接，电压为0; 当给场管施加低电平时，场管断开，场管漏极电压等同于电源电压9V(实际 8.19 V, 电池电量可能不够了)

简单电机驱动电路

如果把上面电路中的 20 欧姆电阻换成一个小电机，那么一个简单的电机驱动（速度控制）电路就产生了。

下面是替换后的面包板电路和示波器截图：

面包板上组装的电机驱动电路

电机驱动电路波形截图

电机也能正常旋转，如果改变控制方波的占空比，也能控制电机的速度。但是，我们可以在波形图中看到一个非常大的毛刺，峰值达到了 38.7 V，非常不协调。此处黄色 CH1 还是接在门级，青色 CH2 接漏极。

怎么回事？

为什么会产生如此巨大的毛刺？

电机是是由一大堆导线绕制而成的，我们可以将其看做一个电感器。当场效应管打开时，电流流过电机，一起正常。

电流流过电机一切正常

场管打开时，电机正在旋转，在此过程中，它会以磁场的形式存储一些电能，让我们用一个能量条来代表电感存储的能量。

电感存储能量

下面我们来看看当场效应管关闭时发生了什么。我们知道电感的黄金法则：流经电感器的电流不能突变。因此，在场效应管关闭的一瞬间，虽然电路断开了，但是，仍然有电流流过电感。但因为此时场管已经断开，电流已经无路可走了。

电路无路可走

随着电流持续流过电感，漏极电压将逐渐升高……直到电感存储的所有电磁能都转化为电能。因此，最终在场效应管的漏极生成了这个巨大的电压毛刺。

电感抬高电压

电感升压原理分析

大家知道，电路中带负电荷的电子的流向是和传统的电流方向正好相反的。因此，对于上面的电路，随着电流从上往下流过电感，电子实际上在离开图中电感的下端。随着负电子的离开，电压逐渐升高，最终在此处形成一个巨大的电压毛刺。

电感升压原理分析

如此巨大的电压毛刺是我们每一个电子工程师都应该竭力避免的，要不然，烧掉器件那是分分钟的事。

在这里，我们使用的是额定电压高达 60 V 的 IRFZ44E，38.7 V 的电压还不足以击穿它。但是如果你使用的是大电机并且还带有大负载，击穿它是完全有可能的。

IRFZ44E 额定电压高达60V

如何解决感应毛刺？

方法很简单：放置一个和电感并联并且反向的二极管。

现在，当场效应管关闭时，电流有了回流路径。感应电动势将通过二极管返回电源。

二极管有力量

有些文章中将这个并联的二极管称之为：续流二极管（freewheeling diode）。这个二极管还有一些其他的称呼：反向偏置二极管（reverse bias diode）、反向并联二极管（antiparallel diode ）、捕获二极管（catch diode）、反激二极管（flyback diode）。

仅仅添加了一个小小的二极管，毛刺完全消失。