Buck電路中分析開關(guān)電源紋波抑制

由于開關(guān)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(guān)電源應(yīng)用及制造技術(shù)中的一個關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。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(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　通常情況下，開關(guān)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(guān)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(shí)由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)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(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振等。

　　2　Buck電路產(chǎn)生紋波的機(jī)理及計(jì)算

　　2.1　紋波電流計(jì)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(shí)間t為變量進(jìn)行微分計(jì)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(shè)對于每個單獨(dú)的開關(guān)周期，在開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)，輸入輸出電壓都基本沒有變化，可以寫出導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的L兩端的電壓。

　　導(dǎo)通狀態(tài)L兩端的電壓：

　　關(guān)斷狀態(tài)L兩端的電壓：

　　Vsat為開關(guān)管的導(dǎo)通壓降;VF為二極管的導(dǎo)通壓降。

　　由于Vsat和VF相對于Vi和Vo很小，這里忽略不計(jì)，可以得到：

　　可以看出Von和Voff都是常數(shù)，即對于

，不論在導(dǎo)通狀態(tài)還是在關(guān)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(rèn)為Δi就是電感線圈中的紋波電流，將導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的時(shí)間和電壓式(2)和式(3)代入上式，分別寫出導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的紋波電流表達(dá)式：

　　Δion為導(dǎo)通狀態(tài)紋波電流;ton為導(dǎo)通時(shí)間;Δioff為關(guān)斷狀態(tài)紋波電流;toff為關(guān)斷時(shí)間。

　　在電源穩(wěn)定工作時(shí)，

　　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(jìn)而得出：

　　fs為開關(guān)頻率。

　　將式(8)代入式(5)，得：

　　式(9)即為紋波電流的表達(dá)式。