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1、开关电源具有效率高、输出电压可调范围大、损耗小、体积小、重量轻等特点，得到了广泛的应用。 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
2、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：入为线圈磁链;N为线圈匝数;i为流经线圈的电流;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：f 血 .vddZ dr = d. = 1 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：-几刖一 r关断状态 L 两端的电压：Vcff =- Vf - Va.
3、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A替换山dr，代入式(4)并整理得：可以认为 i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： ion为导通状态纹波电流;ton为导通时间; ioff为关断状态纹波电流;toff为关断时间。在电源稳定工作时， iL 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
4、关频率。将式(8)代入式(5)，得式(9)即为纹波电流的表达式。2.2 纹波电压计算注意到在输出部分，电感电流在电容 C 和负载之间分割，有iL = io- + 7c设在稳态下，输出到负载的电流不变。所以有：这也是一种近似，因为就算是负载恒定不变，由于电压纹波的影响，电流也会改变的，但由于这个变 化量和 iL相比很小，所以在此忽略。如果不忽略，也可以推导出更复杂的表达式。 iC加之于C就会 产生纹波电压。首先计算第一部分。当 iC流过理想电容C时，在C两端产生的电压变化：取积分下限为ton/2,积分上限为toff/2,计算积分得:计算第二部分，对于一般电容，都具有串联等效电感和串联等效电阻（其
5、实还有并联等效绝缘电阻）。 串联等效电感只在较高频率时起作用，在分析开关频率时可以将其忽略，但必须考虑的是串联等效电阻ESR. 电流 iC流过ESR时，会在ESR两端产生电压降，其值为： VESR也会作为纹波的一部分表现在输出端上，所以总的纹波表达式为式（10）和式（11）的和，即:Vro为总纹波;ESR为C的等效串联电阻。式（12）即是Buck类型开关电源的纹波电压的近似表达式，其中的每个变量都是影响纹波的因素，调整 这些变量就是调整纹波的主要方法。3 影响纹波的因素分析及抑制措施根据式（12），逐一分析影响纹波电压的因素1）首先观察括号内的因素：试取一个典型的值计算一下，如fs=300kH
6、z,C=470p F,可知为尽管对于ESR的计算要考虑很多因素，一般情况下，电解电容和若干陶瓷电容并联后的等效电阻ESR在十几到几十mQ之间，由此可见ESR是纹波产生的主要因素，并且C取值的增加不会显着改变纹波。2）其次观察等式右边的前半部分卩异1二0訂如果L或者fs增大，则Vro变小，可以减小纹波，即增大电感的值和提高开关频率可以降低纹波。3）最容易忽略的是输出电压和纹波的关系。考察Vo对Vro的变化率。在所有其他因素都不改变的条件下，将Vro对Vo求导，可得：钦=彳一2訂其中：令dVo有，此时电源输出的纹波最大。Vo 无论大于还是小于这个值，纹波都将减小。由该规律可以推算输出电压调整的电源
7、模块的纹波。4）在实际工作中，一切可以调整的因素都是相对稳定的，并且带有一定的实际工作误差。因此在考虑 开关频率、L和C的取值的时候，要考虑干扰因素，选取受到很多因素影响的一个折中的结果。调整这些 取值要考虑其他制约因素，下面列举一些制约因素，在调整参数时需要注意：a）提高开关频率将使系统功耗增大，电源效率降低，温度升高，带来散热问题。b）开关频率受到开关管、控制芯片、二极管及其他因素的限制，不能无限提高。c）提高L的值会使电感体积增加，成本增加，而电感的选择面是比较窄的。d）无论是修改L、C或是开关频率，都要注意电源的稳定性。通过上述分析可以得知，降低ESR可以降低纹波干扰，即在实际通常使用电解和若干瓷片电容并联的 方法降低输出C的ESR,进而降低纹波干扰。4 结语本文通过对Buck电路中元器件的计算公式，推导出纹波电压、电流的计算公式。根据影响因素，对电 感量、电容量的选择进行分析比较，从而得出纹波的抑制方法。然而问题并没有完全解决，下面的问题更 加值得关注与了解：1）各类电解电容和各类薄膜电容的ESR特性是什么;2）各类电容的ESR受哪些因素的影响；3）如何估算电容并联的 ESR;4）输出电容的相对位置对ESR有何影响。前两个问题可以通过基本的性能实验求解，第三个问题则需要使用解析和仿真的方法来进行解决，而第四个问题就需要加强基础和理论深入的研究。
