伏秒平衡的深入理解

一、基本概念

伏秒平衡的本质是能量守恒。在开关电源中，电感元件在导通和关断期间会分别储存和释放能量。伏秒平衡原则指出，在稳态工作的开关电源中，电感两端的正伏秒值（即电感在导通期间电压与时间的乘积）等于负伏秒值（即电感在关断期间电压与时间的乘积）。这意味着电感在每个开关周期内储存的能量与释放的能量相等，从而保证了能量的守恒。（电感特性详见文章储能元件（《电路》第六章）-CSDN博客）

这个原理可以通过电感的伏安特性来理解。如下面的公式所示，

整理之后得，

式中，  即为电感的伏秒值，也称为伏秒积。

也就是说，电感在导通时会产生自感电动势，导致电流增加，储存能量；而在关断时，电感会产生反向的自感电动势，导致电流减少，释放能量。伏秒平衡确保了这两个过程在能量上的平衡，防止了电感的磁饱和或能量的累积，是开关电源稳定工作的关键。

因此，当提到伏秒平衡的本质是能量守恒时，指的是在开关电源的工作过程中，电感元件在每个周期内的能量交换满足能量守恒定律，即输入的能量等于输出的能量加上系统内部的能量损耗。

二、深入理解

1、电感的伏安特性对开关电源的影响

电感的伏安特性表现为电压与电流变化率的正比关系，即电感两端的电压与通过电感的电流变化率成正比（V=L*di/dt）。这一特性决定了电感在开关电源中的两个关键作用：储能和滤波。也就是对其能量的存储和释放。

能量储存

当开关电源的开关元件导通时，电流开始流过电感，电感线圈周围产生磁场，从而存储能量。这个过程中，电感的伏安特性确保了能量以磁场的形式被有效存储。电感的电感量（L）决定了它存储能量的能力，电感量越大，存储的能量越多。

能量释放

当开关元件关闭时，电感中的电流不能突变，因此电感会试图维持电流的流动，导致电感两端产生一个较高的电压（反电动势）。这个电压可以维持电流流动一段时间，从而将存储的能量释放出来。电感的伏安特性在这个过程中确保了能量的平稳释放。

电感能量释放的不同，也决定了开关电源工作模式。即连续导通和断续导通，如下文所述，

电感在一个开关周期内的能量不完全释放，因此有了连续导通模式（CCM）；

电感在一个周期内能量完全释放，因此有了断续导通模式（DCM）；

#注意：连续导通和断续导通的直接表现是电感电流是否降到零，如果将到零则为断续导通，如果电感电流总是大于零，则为连续导通。

2、电感的磁饱和对伏秒平衡的影响

电感的磁饱和可能会破坏开关电源的伏秒平衡，因为电感饱和会导致电感值的急剧下降，使得电感器的行为更接近于一个电阻而不是一个储能元件。

当电感饱和时，电感器无法有效地存储能量，导致在开关关断期间电感两端的电压不能迅速下降，从而无法在下一个导通期间迅速建立起所需的电流，打破了伏秒平衡。

所谓打破了伏秒平衡，并不是说，能量不再守恒，而是意味着能量没有正常输出，因此会引起电感器过热，可能损坏电感器本身以及电源中的其他组件。

三、总结

伏秒平衡原理就是电感伏安特性在开关电源中的体现，体现在开关电源利用电感进行能量传递这个方面，包括能量的储存和释放两个过程。