如何減小開關(guān)電源的紋波電壓

紋波電壓是指電源輸出電壓中的高頻交流成分，它是由于開關(guān)電源中開關(guān)元件的導(dǎo)通和截止引起的。

要減小Buck電源的紋波電壓，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

1. 增大輸出電容的容量

輸出電容可以幫助平滑輸出電壓，增加電容的容量能夠有效減小紋波電壓。電容越大，能夠存儲的電荷越多，從而減小電壓波動(dòng)。建議選用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電容，以減少由電容ESR引起的紋波。

電容的核心功能是儲存電荷。當(dāng)Buck電源的輸出電壓有波動(dòng)時(shí)，電容會在電壓上升時(shí)儲存能量（充電），在電壓下降時(shí)釋放能量（放電），從而平滑輸出電壓。增大電容意味著電容能儲存和釋放更多的電荷，這使得它能夠更加有效地平滑電壓波動(dòng)，從而減少紋波。

在Buck電源中，電感與輸出電容配合工作，電感負(fù)責(zé)將輸入電壓轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的電流，輸出電容則用于平滑這種電流波動(dòng)。如果輸出電容增大，它能更好地吸收和釋放這些脈動(dòng)電流，進(jìn)一步減小輸出電壓的波動(dòng)幅度，進(jìn)而降低紋波電壓。

2. 選擇低ESR和低ESL的輸出電容

紋波電壓的一部分來自輸出電容的ESR。選用低ESR的陶瓷電容或固態(tài)電容可以顯著降低紋波電壓。通過并聯(lián)多個(gè)低ESR電容，也能進(jìn)一步減小整體ESR值。

紋波電流、等效串聯(lián)電阻（ESR）和紋波電壓三者之間存在密切的關(guān)系，它們共同影響電源輸出的紋波電壓。具體來說，紋波電壓是由電路中的紋波電流和輸出電容的ESR相互作用產(chǎn)生的。我們可以從以下幾個(gè)方面理解它們的關(guān)系：

紋波電流

紋波電流是指電源輸出電流中的交流成分，它是由Buck電源的開關(guān)頻率及電感的電流變化引起的。在Buck電源中，電感電流并不是恒定的，而是在開關(guān)周期內(nèi)以鋸齒波的形式波動(dòng)。這個(gè)波動(dòng)的電流就是紋波電流。

紋波電流越大，意味著輸出電壓中會有更多的波動(dòng)成分，最終會導(dǎo)致輸出端的紋波電壓升高。

ESR（等效串聯(lián)電阻）

輸出電容的ESR是影響紋波電壓的一個(gè)重要因素。ESR是指電容內(nèi)部的電阻，這個(gè)電阻會對電流產(chǎn)生壓降。因?yàn)殡娙菀獙y波電流進(jìn)行濾波，ESR會根據(jù)紋波電流的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓降。這部分電壓降直接加在電源的輸出端，形成紋波電壓的一部分。

從公式中可以看出，紋波電流越大，ESR值越高，導(dǎo)致的紋波電壓就越大。因此，ESR越小越好，可以有效減少紋波電壓。

紋波電壓

紋波電壓是由多種因素產(chǎn)生的，包括電容的充放電特性和電感電流的波動(dòng)。它可以分為兩部分：

• 電容充放電引起的紋波電壓：電容電壓的變化由電流的充放電過程決定，電容值越大，電壓變化率 dV/dt越小，紋波電壓越小。

• ESR引起的紋波電壓：紋波電流通過電容的ESR會產(chǎn)生一個(gè)與電流變化成正比的電壓降，這部分電壓也會加在輸出端，形成紋波電壓。

• 紋波電流是由于電感電流的波動(dòng)產(chǎn)生的，它會通過電容和電容的ESR影響紋波電壓。

• ESR會對紋波電流產(chǎn)生一個(gè)電壓降，形成一部分紋波電壓。因此，紋波電壓與紋波電流和ESR成正比。

• 增大輸出電容可以減小電容充放電引起的紋波電壓，而降低電容的ESR可以減小ESR引起的紋波電壓。

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，減小ESR和適當(dāng)控制紋波電流是減小紋波電壓的重要手段。

同理可證，要減小走線上寄生電感和寄生電阻，可以有效紋波電壓。

我們通過下面這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以知道減小路徑上的等效電阻和等效電感，都能有效地優(yōu)化紋波電壓。

3. 增大開關(guān)頻率

增加開關(guān)頻率可以減小每個(gè)開關(guān)周期的電流變化量，從而減小紋波電壓。不過，頻率提高后會增加開關(guān)損耗，因此需要權(quán)衡效率與紋波的關(guān)系。

電壓紋波的產(chǎn)生是由于開關(guān)電源中開關(guān)元件導(dǎo)通和截止時(shí)引起的電流和電壓變化，這種變化在輸出電容器上產(chǎn)生電壓紋波。電壓紋波的大小與輸出電容器的大小、開關(guān)頻率以及負(fù)載電流有關(guān)。

而開關(guān)頻率則是影響電壓紋波大小的重要因素之一。開關(guān)頻率越高，開關(guān)元件導(dǎo)通和截止的速度就越快，電流和電壓變化也就越快，因此電壓紋波也就越小。反之，開關(guān)頻率越低，電壓紋波就越大。

相同的輸出電感，也就是電流的上升斜率和下降斜率不變的前提下，上升和下降的周期降為原來的一半，則幅度也就自然降為原來一半，如下圖中黃色曲線所示（幅度為藍(lán)色的一半）。

4. 優(yōu)化輸出電感器選擇

電感器的大小也影響紋波電流，從而影響紋波電壓。增大電感器的電感值可以減小紋波電流的幅度，但電感值過大會導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢。因此，要根據(jù)電源設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行平衡。

輸出電感的感值的選擇，影響紋波電流的電流值。

開關(guān)電源電路處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感的電流變化量最終為零，即開關(guān)導(dǎo)通時(shí)通過電感的電流增加量和開關(guān)斷開時(shí)電感的電流減少量是相等的。換句話說，處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的開關(guān)電路中，一個(gè)周期因開關(guān)作用被分為兩段，其中開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電感電流在增加，開關(guān)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)電感電流在減少，那么在一個(gè)周期內(nèi)，電流的增加量與電流的減少量是相等的，即：ΔIon=ΔIoff。要滿足伏秒平衡原理，需要保證電感不會出現(xiàn)偏磁、漏磁現(xiàn)象，不會出現(xiàn)飽和（或者可以忽略）。分析開關(guān)電源中電容和電感的幾條原則：電容兩端的電壓不能突變 (當(dāng)電容足夠大時(shí),可認(rèn)為其電壓不變)；電感中的電流不能突變 (當(dāng)電感足夠大時(shí),可認(rèn)為其電流恒定不變)；流經(jīng)電容的電流平均值在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)為零；電感兩端的伏秒積在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。

在開關(guān)管開關(guān)的過程中，一個(gè)開關(guān)周期中，在輸入輸出電壓確定的前提下，電感上電流的變化的幅度大小，是由電感的感值決定的。

電感的歐姆定律應(yīng)用：電流的變化量，是電感兩端的壓差除以電感值，在時(shí)間上的積分，計(jì)算所得：

在開關(guān)管開關(guān)的過程中，0-t1的時(shí)間段：

當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，同樣用電感的歐姆定律，如圖5.19所示， t2-t1中電流增量為：

由上面公式可知，電感的感值越大，輸出紋波電流就越小。但帶來問題是動(dòng)態(tài)響應(yīng)（response time）變慢。如果電感感值較小，如果想輸出電壓的紋波也小，就需要提高開關(guān)頻率，這樣MOS管上的開關(guān)損耗就增加，電路效率下降。

5. 適當(dāng)增加負(fù)載電流

在輕載情況下，紋波電壓可能會相對較高。適當(dāng)增加負(fù)載電流可以使電源在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作，降低紋波電壓。

DCM模式開關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流仿真圖如圖所示，黃色為電感電流，藍(lán)色為Vsw電壓。

CCM的波形圖如下圖所示，綠色為電感電流，紫色為Vsw電壓。

6. 使用多相控制器

多相控制器在相同輸出電流下實(shí)現(xiàn)更低的紋波電流的原因主要在于它們將總輸出電流分散到多個(gè)并行的相位中，每個(gè)相位都具有較小的電流波動(dòng)，同時(shí)相位之間的開關(guān)操作時(shí)間上彼此錯(cuò)開。具體來說：

• 相位分離（時(shí)序錯(cuò)位）：多相控制器通過對每個(gè)相位的開關(guān)時(shí)序進(jìn)行錯(cuò)位（相位偏移），使得各相位的電流紋波不會同時(shí)疊加在一起。相位之間的開關(guān)頻率錯(cuò)開后，電感的電流紋波在各相位中的峰值會在不同時(shí)間出現(xiàn)，從而減少了總輸出電流的瞬時(shí)波動(dòng)。這種錯(cuò)位有效平滑了整個(gè)系統(tǒng)的電流紋波。

• 電感電流的分布：多相設(shè)計(jì)意味著每個(gè)相位的電流負(fù)擔(dān)較小，因此單個(gè)電感的電流紋波也相對較低。多個(gè)電感在并行工作時(shí)，各自承擔(dān)部分電流的升高和下降，從而進(jìn)一步減少了系統(tǒng)的電流紋波。

• 等效開關(guān)頻率提高：多相控制器通過使用多個(gè)相位的同時(shí)運(yùn)行，等效地提高了整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)頻率。例如，一個(gè)兩相系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率可以是單相系統(tǒng)的兩倍，導(dǎo)致紋波頻率提高，而紋波的幅值也隨之減小。由于濾波電路的效果會隨著頻率升高而增強(qiáng)，高頻紋波更容易通過電容或?yàn)V波器去除，從而減少最終輸出的紋波電流。

7. 調(diào)整反饋環(huán)路

合理設(shè)計(jì)反饋環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可以提高電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，進(jìn)而減少由于負(fù)載變化導(dǎo)致的輸出紋波。

通過組合這些方法，可以有效減小Buck電源的紋波電壓，提升電源輸出的穩(wěn)定性。