同步降壓轉(zhuǎn)換器電路分析及輸出紋波的探討

電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)日益輕薄，使得電源模塊亦須提升切換頻率以縮小體積。藉由傅里葉級(jí)數(shù)頻域分析，研發(fā)人員將可掌握切換式降壓轉(zhuǎn)換器電源模塊輸出端漣波變化量，從而搭配最適合的電感和電容，使電路板尺寸與能源效率達(dá)到最佳設(shè)計(jì)。

電子3C產(chǎn)品功能愈來愈豐富且IC制程的進(jìn)化趨向于低壓大電流，使得芯片對電源的漣波及噪聲(Ripple Noise)要求更為嚴(yán)謹(jǐn)。數(shù)字產(chǎn)品強(qiáng)調(diào)輕薄，相對地，電源模塊為符合此要求勢必提升切換頻率以縮小外部零件體積。高頻漣波與噪聲對數(shù)字電路信號(hào)的影響勢必嚴(yán)重，尤其是影音(Video/Audio)信號(hào)及差動(dòng)對數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)(Differential Pair Signal)。

基于此因素，本文將以傅里葉函數(shù)(Fourier Series Expansion)方式來探討同步交換式降壓轉(zhuǎn)換器(Synchronous Step Down Converter)輸出電壓紋波的波形，并依電容完整等效串聯(lián)電阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL)、電容值(Capacitance)對應(yīng)的公式，經(jīng)由理論推導(dǎo)，有效地分析電源模塊輸出端紋波成分。

同步降壓交換式轉(zhuǎn)換器電路分析

同步降壓交換式電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路如圖1所示，系統(tǒng)工作原理是藉由交錯(cuò)式切換High Side (Q1)/Low Side (Q2)金屬氧化物場效晶體管(MOSFET)(上、下橋晶體管)，將輸入能量轉(zhuǎn)換成輸出端適當(dāng)電壓以提供到負(fù)載側(cè)。系統(tǒng)關(guān)鍵性被動(dòng)組件電感及輸出電容組成的低通濾波器(Low Pass Filter)，用于傳送與儲(chǔ)存能量并濾除交流成分，讓輸出電壓成為平順的準(zhǔn)直流需求。

在常規(guī)技術(shù)的認(rèn)知下，當(dāng)切換頻率愈快，即可得到較小的輸出紋波，若以流經(jīng)電感電流乘上輸出電容的等效串聯(lián)電阻來估算峰值紋波電壓是可得到近似數(shù)據(jù)，但與實(shí)際的輸出紋波波形有程度上的誤差，因此必須考慮電容完整的等效電路特性，便可獲得正確的解答。

在切換式降壓轉(zhuǎn)換器中，電感電流會(huì)對電容充電或放電，因此所有的紋波電流都會(huì)流經(jīng)電容使得輸出到負(fù)載的電壓為穩(wěn)定的直流電壓Vo。然而，實(shí)際情形不是如 此，因?yàn)閷?shí)際電容除了本身電容值外，還包含等效串聯(lián)電阻與等效串聯(lián)電感參數(shù)特性，讓輸出紋波電壓(Ripple Voltage)ΔVo大于默認(rèn)值，因此欲得到正確的輸出紋波，則須將如圖1所示完整的電容等效電路加以說明。

其中，Cap全稱為Capacitance，意思是電容值，其為電容最主要的參數(shù)，應(yīng)用于電路穩(wěn)壓，補(bǔ)償或?yàn)V噪聲之用，可用電容公式來表示其特性，亦即Q = C·Vc或

而ESR(Equivalent Series Resistance)為等效串聯(lián)電阻，其為電容能量損耗及紋波的來源，可用歐姆定律來表示其特性，亦即

至于ESL(Equivalent Series Inductance)，表示等效串聯(lián)電感，可用電感微分公式來表示其特性，公式為

其感抗正比于頻率，在低頻時(shí)其感抗低，不易觀測到其作用，但在頻率較高時(shí)，其感抗增加，會(huì)降低電容穩(wěn)壓濾波的功能。另外要補(bǔ)充的是，I為IL A.C成分，也就是電感電流的交流成分。

一般而言，在穩(wěn)態(tài)(Steady State)及負(fù)載固定時(shí)，輸出電容的紋波電壓主要是由電感的紋波電流造成，可先計(jì)算出電感的紋波電流，再利用歐姆定律，電感微分公式及電容電荷儲(chǔ)存公式，分別計(jì)算出ESR、ESL及Capacitance的紋波電壓。再將此三種紋波加總起來，便可得輸出電容的紋波電壓，如公式1所示：

電感電流函數(shù)IL(t)可由公式2求得，其波形如圖2所示。在Ton時(shí)(上橋MOSFET導(dǎo)通)，輸入電源VCC供應(yīng)能量到負(fù)載端且電感組件儲(chǔ)存磁能(電感電流為線性遞增)，依據(jù)法拉第定律(Faradays Law)：

將可得到導(dǎo)通周期(On-time Duty)電感電流斜率：

在Toff時(shí)(下橋MOSFET導(dǎo)通)，電感釋放能量到負(fù)載(電感電流為線性遞減);其關(guān)斷周期(Off-time Duty)電感電流斜率如公式3所示：

應(yīng)用傅里葉函數(shù)頻域分析輸出紋波波形

依傅里葉級(jí)數(shù)展開任意周期性函數(shù)可得到頻率信號(hào)的幅度，也代表著信號(hào)在不同頻率分量成分的大小。頻域分析是以輸入信號(hào)的頻率為變量，并能夠提供比時(shí)域 (Time Domain)信號(hào)波形更直觀且包含頻率、振幅和相位信息。相對的傅里葉變換(Fourier Transform)可將頻域函數(shù)轉(zhuǎn)換成時(shí)域的穩(wěn)態(tài)輸出紋波Vo。因此，傅里葉級(jí)數(shù)與傅里葉變換的優(yōu)點(diǎn)是可讓分析者依所提供的任意輸入波形，容易得到輸出紋波波形。

周期T傅里葉級(jí)數(shù)為：

傅里葉系數(shù)則是：

ak及bk是共軛復(fù)數(shù)。等效電感阻抗包含ZESR、ZESL、ZCo，計(jì)算方式如下所示：

而LX電壓波形使用傅里葉級(jí)數(shù)展開，表示如下：

因此，ESR Ripple傅里葉級(jí)數(shù)展開如下所示：

ESL Ripple傅里葉級(jí)數(shù)展開如下所示：

Cap Ripple傅里葉級(jí)數(shù)展開如下所示：

Vo Ripple傅里葉級(jí)數(shù)展開如下所示：

應(yīng)用傅里葉變換數(shù)值分析輸出電壓紋波

在處理信號(hào)時(shí)，常藉由傅里葉變換來取得信號(hào)所對應(yīng)的頻譜，然后再由頻譜來讀取信號(hào)的參數(shù)。但由于所做的計(jì)算量過于龐大，當(dāng)處理大量的數(shù)據(jù)時(shí)，則需要快速計(jì) 算的算法，因而衍生出快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)。快速傅里葉變換大幅提高了頻譜的計(jì)算速度。

快速傅里葉變換的使用條件包括：信號(hào)必須是周期性的、取樣周期必須為信號(hào)周期的整數(shù)倍、采樣率(Sampling Rate)必須高于信號(hào)最高頻率的兩倍以上、取樣點(diǎn)數(shù)N必須為2k個(gè)數(shù)據(jù)。

快速傅里葉變換原理的表示法，則如下所示：

舉例來說，當(dāng)切換頻率(fsw)為1050kHz的降壓電路，輸入電壓為Vin=3.3伏特(V)，Vo=1.8伏特，L=2.7微亨 (μH)，Co=10微法(μF)，ESR=4毫奧姆(mΩ)，ESL=1.1奈亨(nH)，fsw=280kHz。其實(shí)際量測的輸出電壓紋波、LX及電感紋波電流如圖3所示。若給予任意輸入波形，由傅里葉級(jí)數(shù)分析方法可得到對應(yīng)的輸出紋波，利用此方法提供一個(gè)快速有效的方式，可分析計(jì)算輸入任意周期波的輸出紋波。

應(yīng)用時(shí)域分析輸出紋波波形

時(shí)域分析是以時(shí)間函數(shù)(Time Function)表示信號(hào)之特性，依據(jù)時(shí)間及振幅所組成之坐標(biāo)平面來呈現(xiàn)出任何信號(hào)波形隨時(shí)間變化的瞬間物理量。時(shí)域分析輸出電壓紋波說明如下：

選擇適當(dāng)電感/電容值讓設(shè)計(jì)優(yōu)化

本文提供了傅里葉級(jí)數(shù)頻域分析，其特色就是無須求解復(fù)雜的微分公式并與時(shí)域分析相對應(yīng)，充分驗(yàn)證理論推導(dǎo)及實(shí)際量測波形的對比。目的是想以較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)妮敵鲭娙莸刃щ娐穪矸治鼋粨Q式降壓轉(zhuǎn)換器輸出紋波電壓。

經(jīng)由上述論證可得知，電容的等效串聯(lián)電阻、等效串聯(lián)電感及電容值等特性均會(huì)影響輸出紋波振幅及相位，并利用基本的奧姆定律、電感的微分公式推導(dǎo)電感與電流紋波變化，及電容器依據(jù)操作頻率充/放電荷以維持輸出電位穩(wěn)定。

將上述三種影響紋波因素波形(等效串聯(lián)電阻、等效串聯(lián)電感及電容值)線性迭加，便可得到完整的輸出紋波波形。透過此方法，可使研發(fā)工程師在設(shè)計(jì)切換式降壓轉(zhuǎn)換器電源時(shí)，根據(jù)電源需求及紋波允許變化量規(guī)格來選擇適當(dāng)?shù)碾姼泻碗娙葜?，使其設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)化。