BUCK電路降紋波的詳解

1、詳細(xì)解析Buck電路開關(guān)電源紋波的有效抑制方法2013-10-11 09:51? 來源：電源網(wǎng)？作者：云際具有效率高、輸出電壓可調(diào)范圍大、損耗小、體積小、重量輕等特點，得到了廣泛的應(yīng)用。由于開關(guān)電源體積小，輸出直流電壓的紋波含量比同功率線性電源大，如何降低紋波含量成為開關(guān)電源應(yīng)用及制造技術(shù)中的一個關(guān)鍵技術(shù)難點。本文通過對Buck電路的分析，找出對紋波的產(chǎn)生有影響的因素及改善的措施。紋波的定義Buck類型開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖I Buck 型的開關(guān)電源拓扌卜結(jié)構(gòu)通常情況下，開關(guān)電源首先把電網(wǎng)電壓全波整流變?yōu)橹绷麟?，?jīng)高頻開關(guān)變換由變壓 器降壓，經(jīng)高頻二極管整流濾波后， 得到穩(wěn)定的直流電

2、壓輸出。 其自身含有大量的諧波干擾， 同時由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰都形成了電磁干擾源，這些尖峰就是輸出紋波。輸出紋波主要來源于4個方面：低頻紋波、高頻紋波、共模紋波、功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振等。Buck電路產(chǎn)生紋波的機(jī)理及計算1、紋波電流計算電感的定義:fi)(1)兩端入為線圈磁鏈、N為線圈匝數(shù)、i為流經(jīng)線圈的電流、為線圈磁通。如果式以時間t為變量進(jìn)行微分計算，可得：r AivdL vdrdr這便是大家所熟知的電感電壓降回路方程?，F(xiàn)在假設(shè)對于每個單獨的開關(guān)周期，在開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)，輸入輸出電壓都基本沒有變化，可以寫出導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時的L兩端的電

3、壓。導(dǎo)通狀態(tài)L兩端的電壓：= rf - rOj關(guān)斷狀態(tài)L兩端的電壓：Vsat為開關(guān)管的導(dǎo)通壓降；VF為二極管的導(dǎo)通壓降。由于Vsat和VF相對于Vi和Vo很小，這里忽略不計，可以得至U：可以看出Von和Voff都是常數(shù)，即對于不論在導(dǎo)通狀態(tài)還是在關(guān)斷狀態(tài)都有:山drN 山為常數(shù)，所以可以用替換d，代入式 并整理得:可以認(rèn)為厶i就是電感線圈中的紋波電流，將導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)時的時間和電壓式 式代入上式，分別寫出導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時的紋波電流表達(dá)式:toff 為 ion為導(dǎo)通狀態(tài)紋波電流；ton為導(dǎo)通時間； ioff為關(guān)斷狀態(tài)紋波電流;關(guān)斷時間。在電源穩(wěn)定工作時,do: iL為線圈上紋波電流的絕對值。

4、將式 （5）和式代入式（7），整理得:進(jìn)而得出:fs為開關(guān)頻率。將式(8)代入式(5)，得:Al八仃- J. mA L式(9)即為紋波電流的表達(dá)式。2、紋波電壓計算注意到在輸出部分，電感電流在電容C和負(fù)載之間分割，有:IL =+ 2設(shè)在穩(wěn)態(tài)下，輸出到負(fù)載的電流不變。所以有：加-仏這也是一種近似，因為就算是負(fù)載恒定不變，由于電壓紋波的影響，電流也會改變的,但由于這個變化量和 iL相比很小，所以在此忽略。如果不忽略，也可以推導(dǎo)出更復(fù)雜的 表達(dá)式iC加之于C就會產(chǎn)生紋波電壓。首先計算第一部分。當(dāng) iC流過理想電容C時，在C兩端產(chǎn)生的電壓變化:AVc =于=亡取積分下限為ton/2，積分上限為toff

5、/2，計算積分得:計算第二部分，對于一般電容，都具有串聯(lián)等效電感和串聯(lián)等效電阻(其實還有并聯(lián)等效絕緣電阻)。串聯(lián)等效電感只在較高頻率時起作用，在分析開關(guān)頻率時可以將其忽略，但 必須考慮的是串聯(lián)等效電阻ESR.電流 iC流過ESR時，會在ESR兩端產(chǎn)生電壓降，其值為：ESRESR 曲fl VESR也會作為紋波的一部分表現(xiàn)在輸出端上，所以總的紋波表達(dá)式為式(10)和式(11)的和，即：Vro為總紋波;ESR為C的等效串聯(lián)電阻。式(12)即是Buck類型開關(guān)電源的紋波電壓的近似表達(dá)式，其中的每個變量都是影響紋波的因素，調(diào)整這些變量就是調(diào)整紋波的主要方法。影響紋波的因素分析及抑制措施根據(jù)式(12)，逐

6、一分析影響紋波電壓的因素1ESR + .1)首先觀察括號內(nèi)的因素：試取一個典型的值計算一下，如fs=300kHz , C=470卩F,可知為盡管對于ESR的計算要考慮很多因素，一般情況下，電解電容和若干陶瓷電容并聯(lián)后的等效電阻ESR在十幾到幾十之間，由此可見 ESR是紋波產(chǎn)生的主要因素，并且C取值的增加不會顯著改變紋波。2) 其次觀察等式右邊的前半部分如果L或者fs增大，則Vro變小，可以減小紋波，即增大電感的值和提高開關(guān)頻率可 以降低紋波。3）最容易忽略的是輸出電壓和紋波的關(guān)系?？疾霽o對Vro的變化率。在所有其他因素都不改變的條件下，將Vro對Vo求導(dǎo)，可得:其中:/1L嚴(yán)=7刁此時電源輸

7、出的紋波最大。Vo無論大于還是小于這個值，紋波都將減小。由該規(guī)律可以推算輸出電壓調(diào)整的電源模塊的紋波。4）在實際工作中，一切可以調(diào)整的因素都是相對穩(wěn)定的，并且?guī)в幸欢ǖ膶嶋H工作誤差。因此在考慮開關(guān)頻率、L和C的取值的時候，要考慮干擾因素，選取受到很多因素影響的一個折中的結(jié)果。 調(diào)整這些取值要考慮其他制約因素，下面列舉一些制約因素， 在調(diào)整參數(shù)時需要注意：a）提高開關(guān)頻率將使系統(tǒng)功耗增大，電源效率降低，溫度升高，帶來散熱問題。b）開關(guān)頻率受到開關(guān)管、控制芯片、二極管及其他因素的限制，不能無限提高。c）提高L的值會使電感體積增加，成本增加，而電感的選擇面是比較窄的。d）無論是修改L、C或是開關(guān)頻率，都要注意電源的穩(wěn)定性。通過上述分析可以得知，降低ESR可以降低紋波干擾，即在實際通常使用電解和若干瓷片電容并聯(lián)的方法降低輸出C的ESR進(jìn)而降低紋波干擾。結(jié)語本文通過對Buck電路中元器件的計算公式，推導(dǎo)出紋波電壓、電流的計算公式。根據(jù) 影響因素，對電感量、電容量的選擇進(jìn)行分析比較，從而得出紋波的抑制方法。然而問題并 沒有完全解決，下面的問題更加值得關(guān)注與了解：1）各類電解電容和各類薄膜電容的ESR特性是什么；