如何减小开关电源的纹波电压_新浪科技

纹波电压是指电源输出电压中的高频交流成分，它是由于开关电源中开关元件的导通和截止引起的。

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要减小Buck电源的

，可以从以下几个方面进行优化：

输出电容可以帮助平滑输出电压，增加电容的容量能够有效减小纹波电压。电容越大，能够存储的电荷越多，从而减小电压波动。建议选用低等效串联电阻（ESR）的电容，以减少由电容ESR引起的纹波。

电容的核心功能是储存电荷。当Buck电源的输出电压有波动时，电容会在电压上升时储存能量（充电），在电压下降时释放能量（放电），从而平滑输出电压。增大电容意味着电容能储存和释放更多的电荷，这使得它能够更加有效地平滑电压波动，从而减少纹波。

纹波电压的一部分来自输出电容的ESR。选用低ESR的陶瓷电容或固态电容可以显著降低纹波电压。通过并联多个低ESR电容，也能进一步减小整体ESR值。

纹波电流、等效串联电阻（ESR）和纹波电压三者之间存在密切的关系，它们共同影响电源输出的纹波电压。具体来说，纹波电压是由电路中的纹波电流和输出电容的ESR相互作用产生的。我们可以从以下几个方面理解它们的关系：

纹波电流是指电源输出电流中的交流成分，它是由Buck电源的开关频率及电感的电流变化引起的。在Buck电源中，电感电流并不是恒定的，而是在开关周期内以锯齿波的形式波动。这个波动的电流就是纹波电流。

纹波电流越大，意味着输出电压中会有更多的波动成分，最终会导致输出端的纹波电压升高。

输出电容的ESR是影响纹波电压的一个重要因素。ESR是指电容内部的电阻，这个电阻会对电流产生压降。因为电容要对纹波电流进行滤波，ESR会根据纹波电流的大小产生相应的电压降。这部分电压降直接加在电源的输出端，形成纹波电压的一部分。

从公式中可以看出，纹波电流越大，ESR值越高，导致的纹波电压就越大。因此，ESR越小越好，可以有效减少纹波电压。

纹波电压是由多种因素产生的，包括电容的充放电特性和电感电流的波动。它可以分为两部分：

电容充放电引起的纹波电压：电容电压的变化由电流的充放电过程决定，电容值越大，电压变化率 dV/dt越小，纹波电压越小。
ESR引起的纹波电压：纹波电流通过电容的ESR会产生一个与电流变化成正比的电压降，这部分电压也会加在输出端，形成纹波电压。

ESR会对纹波电流产生一个电压降，形成一部分纹波电压。因此，纹波电压与纹波电流和ESR成正比。
增大输出电容可以减小电容充放电引起的纹波电压，而降低电容的ESR可以减小ESR引起的纹波电压。

在设计电源时，减小ESR和适当控制纹波电流是减小纹波电压的重要手段。

同理可证，要减小走线上寄生电感和寄生电阻，可以有效纹波电压。

我们通过下面这个实验，可以知道减小路径上的等效电阻和等效电感，都能有效地优化纹波电压。

增加开关频率可以减小每个开关周期的电流变化量，从而减小纹波电压。不过，频率提高后会增加开关损耗，因此需要权衡效率与纹波的关系。

电压纹波的产生是由于开关电源中开关元件导通和截止时引起的电流和电压变化，这种变化在输出电容器上产生电压纹波。电压纹波的大小与输出电容器的大小、开关频率以及负载电流有关。

而开关频率则是影响电压纹波大小的重要因素之一。开关频率越高，开关元件导通和截止的速度就越快，电流和电压变化也就越快，因此电压纹波也就越小。反之，开关频率越低，电压纹波就越大。

相同的输出电感，也就是电流的上升斜率和下降斜率不变的前提下，上升和下降的周期降为原来的一半，则幅度也就自然降为原来一半，如下图中黄色曲线所示（幅度为蓝色的一半）。

电感器的大小也影响纹波电流，从而影响纹波电压。增大电感器的电感值可以减小纹波电流的幅度，但电感值过大会导致响应速度变慢。因此，要根据电源设计的需求进行平衡。

输出电感的感值的选择，影响纹波电流的电流值。

开关电源电路处于稳态工作时，一个开关周期内电感的电流变化量最终为零，即开关导通时通过电感的电流增加量和开关断开时电感的电流减少量是相等的。换句话说，处于稳定工作状态的开关电路中，一个周期因开关作用被分为两段，其中开关导通时间内电感电流在增加，开关关断时间内电感电流在减少，那么在一个周期内，电流的增加量与电流的减少量是相等的，即：ΔIon=ΔIoff。要满足伏秒平衡原理，需要保证电感不会出现偏磁、漏磁现象，不会出现饱和（或者可以忽略）。分析开关电源中电容和电感的几条原则：电容两端的电压不能突变 (当电容足够大时,可认为其电压不变)；电感中的电流不能突变 (当电感足够大时,可认为其电流恒定不变)；流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零；电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。

在开关管开关的过程中，一个开关周期中，在输入输出电压确定的前提下，电感上电流的变化的幅度大小，是由电感的感值决定的。

电感的欧姆定律应用：电流的变化量，是电感两端的压差除以电感值，在时间上的积分，计算所得：

在开关管开关的过程中，0-t1的时间段：

当开关关断时，同样用电感的欧姆定律，如图5.19所示，t2-t1中电流增量为：

由上面公式可知，电感的感值越大，输出纹波电流就越小。但带来问题是动态响应（response time）变慢。如果电感感值较小，如果想输出电压的纹波也小，就需要提高开关频率，这样MOS管上的开关损耗就增加，电路效率下降。

在轻载情况下，纹波电压可能会相对较高。适当增加负载电流可以使电源在连续导通模式（CCM）下工作，降低纹波电压。

DCM模式开关点电压和电感电流仿真图如图所示，黄色为电感电流，蓝色为Vsw电压。

CCM的波形图如下图所示，绿色为电感电流，紫色为Vsw电压。

多相控制器在相同输出电流下实现更低的纹波电流的原因主要在于它们将总输出电流分散到多个并行的相位中，每个相位都具有较小的电流波动，同时相位之间的开关操作时间上彼此错开。具体来说：

相位分离（时序错位）：多相控制器通过对每个相位的开关时序进行错位（相位偏移），使得各相位的电流纹波不会同时叠加在一起。相位之间的开关频率错开后，电感的电流纹波在各相位中的峰值会在不同时间出现，从而减少了总输出电流的瞬时波动。这种错位有效平滑了整个系统的电流纹波。
电感电流的分布：多相设计意味着每个相位的电流负担较小，因此单个电感的电流纹波也相对较低。多个电感在并行工作时，各自承担部分电流的升高和下降，从而进一步减少了系统的电流纹波。
等效开关频率提高：多相控制器通过使用多个相位的同时运行，等效地提高了整个系统的开关频率。例如，一个两相系统的等效开关频率可以是单相系统的两倍，导致纹波频率提高，而纹波的幅值也随之减小。由于滤波电路的效果会随着频率升高而增强，高频纹波更容易通过电容或滤波器去除，从而减少最终输出的纹波电流。