维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷第５期 Ｖ０Ｉ．２２ ＮＯ．５ 湖 北 工 业 大 学 学报 ２００７年１Ｏ月 ０ｃｔ．２００７ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ［文章编号］１００３—４６８４（２００７）０５～００２２—０３ 基于Ｂｕｃｋ电路的开关电源纹波的计算和抑制 刘郑辉，席自强 （湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉４３００６８） ［摘要］通过对Ｂｕｃｋ电路原理的分析，重点推导出纹波电流、电压的计算公式，并通过公式的分析，找出对 纹波的产生有影响的因素以及改善措施． ［关键词］Ｂｕｃｋ电路；纹波电流；纹波电压 ［中图分类号］ＴＭ９１９ ［文献标识码］：Ａ 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 电感的定义： Ｌ一尝一Ｎ ｄＯ． 微分计算，可得 Ｌ （１） 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． 为线圈磁链；Ｎ为线圈匝数； 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 ｄｉ Ｎｄ 一 一 １ 纹波的定义 Ｂｕｃｋ类型开关电源的拓扑结构如图１所示． ‘。。。。。 。 ｒ。。’。。 这便是大家所熟知的电感电压降回路方程＿１］． 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． ． ＝｝＝ｃ ｌ 导通状态Ｌ两端的电压 一Ｖ —Ｖ 一Ｖｏ， 关断状态Ｌ两端的电压 ｒ，一一ＶＦ—Ｖｏ． 图１ Ｂｕｃｋ类型的开关电源拓扑结构 通常情况下，开关电源首先把电网电压全波整 为开关管的导通压降；Ｖ，为二极管的导通压降． 由于 和 ，相对于 和Ｖｏ很小，这里忽略 Ｖｉ—Ｖｏ， （２） （３） ，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，这些尖峰就是输出纹波．输出纹波主要 不计，可以得到 一，，一一Ｖｏ． 可以看出 和 都是常数，即对于Ｌ ｄｉ 不 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． 论在导通状态还是在关断状态都有 半一 一 ｓ出 Ｌ …～ ｔ （… ４） ２ Ｂｕｃｋ电路产生纹波的机理及计算 ２．１ 纹波电流计算 为常数，所以可以用 Ａｉ替换塞，代人式（４）并整理 得 ［收稿日期］２００７－－０１—３０ ［作者简介］刘郑辉（１９８１一），男，河南新乡人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向：开关电源技术． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷第５期 刘郑辉等 基于Ｂｕｃｋ电路的开关电源纹波的计算和抑制 ２３ 一 ． 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 可以认为 就是电感线圈中的纹波电流，将导通和 效电阻ＥＳＲ．电流 流过ＥＳＲ时，会在ＥＳＲ两端 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 ： △ｉ 一 ， （５） 产生电压降，其值为 △Ｖ Ｒ—ＥＳＲ・ＡｉＬ． （１１） △ 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 一△ — ． （６） ｍ△ ｃ＋△ Ｒ一△ Ｌ【ＥＳＲ＋ 南）一 为导通状态纹波电流；ｔ 为导通时间Ａｉ ｏＬ，为关 断状态纹波电流；ｔ 为关断时间． 在电源稳定工作时， △ 一一Ａｉ。 —Ａ／Ｉ，， （７） 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 ｔ Ｖ。 ｔ—＝ ’ ｏｆ］进而得出 一 ｆ 一ｇ ｏ， 一尚． ㈣ 为开关频率． 将式（８）代入式（５），得 一 ． （９） 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 一ｉ。＋ｉｃ． 设在稳态下，输出到负载的电流不变．所以有 △ｉＬ一△ｉ（ ． 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 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． 加之于ｃ就会产生 纹波电压． 首先计算第一部分．当 流过理想电容Ｃ时， 在ｃ两端产生的电压变化 一 一 ， 取积分下限为ｆ ／２，积分上限为ｆ ／２，计算积分得 △ ｃ一 ． （１０） 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（其实还有并联等效绝缘电 （ Ｒ＋ ）． 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ＥＳＲ＋ 南・试 取一个典型的值计算一下，如 一３００ ｋＨｚ，Ｃ一 ４７０ ｐＦ，可知为 南一ｏ・８９ ｍｒ２・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取值的增加不会显著改变纹波． ２）其次观察等式右边的前半部分 ．如果Ｌ或者 增大，则 变小，可 。Ｌ 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 对 的变化率． 在所有其他因素都不改变的条件下，将Ｖ 对 。求导，可得 一Ｋ（ 一２ ｇｏ） 其中 Ｋ一 ＥＳＲ＋ ）． 令 一。，有 一 ｇｉ，此时电源输出的纹波最大． 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模块的纹波． ４）在实际工作中，一切可以调整的因素都是相 维普资讯 http://www.cqvip.com
２４ 湖 北 工 业 大 学 学报 ２００７年第５期 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 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； 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 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． 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． ［１］张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计ＥＭ］．北京：电 ［参考文 献］ 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， 子工业出版社，１９９９． Ｃ２］李宏．浅谈开关直流电源的纹波抑制问题［Ｊ］．西安： 电力电子技术，２０００，３４（６）：２８—３０． Ｏｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｗｉｔｃｈ Ｒｉｐｐｌｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｕｃｋ Ｃｉｒｃｕｉｔ ＬＩ Ｚｈｅｎｇ—ｈｕｉ，ＸＩ Ｚｉ—ｑｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎ．，Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｕｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｒｉｐｐｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｒｉｐｐｌｅ ｖｏｌｔ— ａｇｅ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ，ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｒｉｐｐｌｅｓ ａｒｅ ｆｏｕｎｄ ｏｕｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｒｉｐｐｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｒｉｐｐｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ［责任编辑：张岩芳］