Buck電路中分析開關電源紋波抑制

由于開關電源體積小，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電源應用及制造技術中的一個關鍵技術難點。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。

　　1　紋波的定義

　　Buck類型開關電源的拓撲結構如圖1所示。

　　通常情況下，開關電源首先把電網(wǎng)電壓全波整流變?yōu)橹绷麟姡?jīng)高頻開關變換由變壓器降壓，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，同時由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復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、功率器件開關過程中產(chǎn)生的超高頻諧振等。

　　2　Buck電路產(chǎn)生紋波的機理及計算

　　2.1　紋波電流計算

　　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)兩端以時間t為變量進行微分計算，可得：

　　這便是大家所熟知的電感電壓降回路方程。

　　現(xiàn)在假設對于每個單獨的開關周期，在開關管導通狀態(tài)和關斷狀態(tài)，輸入輸出電壓都基本沒有變化，可以寫出導通狀態(tài)和關斷狀態(tài)時的L兩端的電壓。

　　導通狀態(tài)L兩端的電壓：

　　關斷狀態(tài)L兩端的電壓：

　　Vsat為開關管的導通壓降;VF為二極管的導通壓降。

　　由于Vsat和VF相對于Vi和Vo很小，這里忽略不計，可以得到：

　　可以看出Von和Voff都是常數(shù)，即對于

，不論在導通狀態(tài)還是在關斷狀態(tài)都有：

　　為常數(shù)，所以可以用

替換

，代入式(4)并整理得：

　　可以認為Δi就是電感線圈中的紋波電流，將導通和關斷狀態(tài)時的時間和電壓式(2)和式(3)代入上式，分別寫出導通狀態(tài)和關斷狀態(tài)時的紋波電流表達式：

　　Δion為導通狀態(tài)紋波電流;ton為導通時間;Δioff為關斷狀態(tài)紋波電流;toff為關斷時間。

　　在電源穩(wěn)定工作時，

　　ΔiL為線圈上紋波電流的絕對值。將式(5)和式(6)代入式(7)，整理得：

　　進而得出：

　　fs為開關頻率。

　　將式(8)代入式(5)，得：

　　式(9)即為紋波電流的表達式。