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。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時，電容會在電壓上升時儲存能量（充電），在電壓下降時釋放能量（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，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)換成脈動的電流，輸出電容則用于平滑這種電流波動。如果輸出電容增大，它能更好地吸收和釋放這些脈動電流，進(jìn)一步減小輸出電壓的波動幅度，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。這個波動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重要因素。ESR是指電容內(nèi)部的電阻，這個電阻會對電流產(chǎn)生壓降。因為電容要對紋波電流進(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。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)計電源時，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。

我們通過下面這個實(shí)驗，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，一個開關(guān)周期內(nèi)電感的電流變化量最終為零，即開關(guān)導(dǎo)通時通過電感的電流增加量和開關(guān)斷開時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，一個周期因開關(guān)作用被分為兩段，其中開關(guān)導(dǎo)通時間內(nèi)電感電流在增加，開關(guān)關(guān)斷時間內(nèi)電感電流在減少，那么在一個周期內(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,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,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開關(guān)周期內(nèi)為零；電感兩端的伏秒積在一個開關(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，在時間上的積分，計算所得：

在開關(guān)管開關(guān)的過程中，0-t1的時間段：

當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，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并行的相位中，每個相位都具有較小的電流波動，同時相位之間的開關(guān)操作時間上彼此錯開。具體來說：

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

• 電感電流的分布：多相設(shè)計意味著每個相位的電流負(fù)擔(dān)較小，因此單個電感的電流紋波也相對較低。多個電感在并行工作時，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相位的同時運(yùn)行，等效地提高了整個系統(tǒng)的開關(guān)頻率。例如，一個兩相系統(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濾波器去除，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)計反饋環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可以提高電源的動態(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。