Buck電路中分析開(kāi)關(guān)電源紋波抑制

由于開(kāi)關(guān)電源體積小，輸出直流電壓的紋波含量比同功率線(xiàn)性電源大，如何降低紋波含量成為開(kāi)關(guān)電源應用及制造技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。本文通過(guò)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(lèi)型開(kāi)關(guān)電源的拓撲結構如圖1所示。

　　通常情況下，開(kāi)關(guān)電源首先把電網(wǎng)電壓全波整流變?yōu)橹绷麟?，?jīng)高頻開(kāi)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(lái)源于4個(gè)方面：低頻紋波、高頻紋波、共模紋波、功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的超高頻諧振等。

　　2　Buck電路產(chǎn)生紋波的機理及計算

　　2.1　紋波電流計算

　　電感的定義：

　　λ為線(xiàn)圈磁鏈;N為線(xiàn)圈匝數;i為流經(jīng)線(xiàn)圈的電流;Φ為線(xiàn)圈磁通。如果式(1)兩端以時(shí)間t為變量進(jìn)行微分計算，可得：

　　這便是大家所熟知的電感電壓降回路方程。

　　現在假設對于每個(gè)單獨的開(kāi)關(guān)周期，在開(kāi)關(guān)管導通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)，輸入輸出電壓都基本沒(méi)有變化，可以寫(xiě)出導通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的L兩端的電壓。

　　導通狀態(tài)L兩端的電壓：

　　關(guān)斷狀態(tài)L兩端的電壓：

　　Vsat為開(kāi)關(guān)管的導通壓降;VF為二極管的導通壓降。

　　由于Vsat和VF相對于Vi和Vo很小，這里忽略不計，可以得到：

　　可以看出Von和Voff都是常數，即對于

，不論在導通狀態(tài)還是在關(guān)斷狀態(tài)都有：

　　為常數，所以可以用

替換

，代入式(4)并整理得：

　　可以認為Δi就是電感線(xiàn)圈中的紋波電流，將導通和關(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(xiě)出導通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的紋波電流表達式：

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

　　在電源穩定工作時(shí)，

　　ΔiL為線(xiàn)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(kāi)關(guān)頻率。

　　將式(8)代入式(5)，得：

　　式(9)即為紋波電流的表達式。