Buck類型開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開關(guān)電源具有效率高、輸出電壓可調(diào)范圍大、損耗小、體積小、重量輕等特點(diǎn)，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(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。本文通過對(duì)Buck電路的分析，找出對(duì)紋波的產(chǎn)生有影響的因素及改善的措施。

1 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。

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)定的直流電壓輸出。其自身含有大量的諧波干擾，同時(shí)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(gè)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。

2 Buck電路產(chǎn)生紋波的機(jī)理及計(jì)算

2.1 紋波電流計(jì)算

電感的定義：

λ為線圈磁鏈;N為線圈匝數(shù);i為流經(jīng)線圈的電流;Φ為線圈磁通。如果式(1)兩端以時(shí)間t為變量進(jìn)行微分計(jì)算，可得：

這便是大家所熟知的電感電壓降回路方程。

現(xiàn)在假設(shè)對(duì)于每個(gè)單獨(dú)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(shí)的L兩端的電壓。

導(dǎo)通狀態(tài)L兩端的電壓：

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(duì)于Vi和Vo很小，這里忽略不計(jì)，可以得到：

可以看出Von和Voff都是常數(shù)，即對(duì)于，不論在導(dǎo)通狀態(tài)還是在關(guān)斷狀態(tài)都有：

為常數(shù)，所以可以用替換，代入式(4)并整理得：

可以認(rèn)為Δi就是電感線圈中的紋波電流，將導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的時(shí)間和電壓式(2)和式(3)代入上式，分別寫出導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的紋波電流表達(dá)式：

Δion為導(dǎo)通狀態(tài)紋波電流;ton為導(dǎo)通時(shí)間;Δioff為關(guān)斷狀態(tài)紋波電流;toff為關(guān)斷時(shí)間。

在電源穩(wěn)定工作時(shí)，

ΔiL為線圈上紋波電流的絕對(duì)值。將式(5)和式(6)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：

式(9)即為紋波電流的表達(dá)式。

2.2 紋波電壓計(jì)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：

設(shè)在穩(wěn)態(tài)下，輸出到負(fù)載的電流不變。所以有：

這也是一種近似，因?yàn)榫退闶秦?fù)載恒定不變，由于電壓紋波的影響，電流也會(huì)改變的，但由于這個(gè)變化量和ΔiL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。ΔiC加之于C就會(huì)產(chǎn)生紋波電壓。

首先計(jì)算第一部分。當(dāng)ΔiC流過理想電容C時(shí)，在C兩端產(chǎn)生的電壓變化：

取積分下限為ton/2，積分上限為toff/2，計(jì)算積分得：

計(jì)算第二部分，對(duì)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(shí)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(shí)起作用，在分析開關(guān)頻率時(shí)可以將其忽略，但必須考慮的是串聯(lián)等效電阻ESR.電流ΔiC流過ESR時(shí)，會(huì)在ESR兩端產(chǎn)生電壓降，其值為：

ΔVESR也會(huì)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(gè)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。

3 影響紋波的因素分析及抑制措施,根據(jù)式(12)，逐一分析影響紋波電壓的因素

1)首先觀察括號(hào)內(nèi)的因素：試取一個(gè)典型的值計(jì)算一下，如fs=300kHz，C=470μF，可知為

盡管對(duì)于ESR的計(jì)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mΩ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(huì)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。考察Vo對(duì)Vro的變化率。

在所有其他因素都不改變的條件下，將Vro對(duì)Vo求導(dǎo)，可得：

其中：

令

Vo無論大于還是小于這個(gè)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(shí)際工作中，一切可以調(diào)整的因素都是相對(duì)穩(wěn)定的，并且?guī)в幸欢ǖ膶?shí)際工作誤差。因此在考慮開關(guān)頻率、L和C的取值的時(shí)候，要考慮干擾因素，選取受到很多因素影響的一個(gè)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(shí)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(huì)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(shí)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。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)Buck電路中元器件的計(jì)算公式，推導(dǎo)出紋波電壓、電流的計(jì)算公式。根據(jù)影響因素，對(duì)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;

2)各類電容的ESR受哪些因素的影響;

3)如何估算電容并聯(lián)的ESR;

4)輸出電容的相對(duì)位置對(duì)ESR有何影響。