Buck电路中分析开关电源纹波抑制

　　由于开关电源体积小，输出直流电压的纹波含量比同功率线性电源大，如何降低纹波含量成为开关电源应用及制造技术中的一个关键技术难点。本文通过对Buck电路的分析，找出对纹波的产生有影响的因素及改善的措施。

　　1　纹波的定义

　　Buck类型开关电源的拓扑结构如图1所示。

　　

 

　　通常情况下，开关电源首先把电网电压全波整流变为直流电，经高频开关变换由变压器降压，经高频二极管整流滤波后，得到稳定的直流电压输出。其自身含有大量的谐波干扰，同时由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰都形成了电磁干扰源，这些尖峰就是输出纹波。输出纹波主要来源于4个方面：低频纹波、高频纹波、共模纹波、功率器件开关过程中产生的超高频谐振等。

　　2　Buck电路产生纹波的机理及计算

　　2.1　纹波电流计算

　　电感的定义：

　　

 

　　λ为线圈磁链;N为线圈匝数;i为流经线圈的电流;Φ为线圈磁通。如果式(1)两端以时间t为变量进行微分计算，可得：

　　

 

　　这便是大家所熟知的电感电压降回路方程。

　　现在假设对于每个单独的开关周期，在开关管导通状态和关断状态，输入输出电压都基本没有变化，可以写出导通状态和关断状态时的L两端的电压。

　　导通状态L两端的电压：

　　

 

　　关断状态L两端的电压：

　　

 

　　Vsat为开关管的导通压降;VF为二极管的导通压降。

　　由于Vsat和VF相对于Vi和Vo很小，这里忽略不计，可以得到：

　　

 

　　可以看出Von和Voff都是常数，即对于

，不论在导通状态还是在关断状态都有：

 

　　

 

　　为常数，所以可以用

替换

，代入式(4)并整理得：

 

　　

 

　　可以认为Δi就是电感线圈中的纹波电流，将导通和关断状态时的时间和电压式(2)和式(3)代入上式，分别写出导通状态和关断状态时的纹波电流表达式：

　　

 

　　Δion为导通状态纹波电流;ton为导通时间;Δioff为关断状态纹波电流;toff为关断时间。

　　在电源稳定工作时，

　　

 

　　ΔiL为线圈上纹波电流的绝对值。将式(5)和式(6)代入式(7)，整理得：

　　

 

　　进而得出：

　　

 

　　fs为开关频率。

　　将式(8)代入式(5)，得：

　　

 

　　式(9)即为纹波电流的表达式。