基于Buck电路的开关电源纹波的计算和抑制
buck电路电感纹波的比例系数
buck电路电感纹波的比例系数
摘要：
1.Buck 电路概述
2.电感纹波的概念
3.比例系数的定义和计算方法
4.比例系数对Buck 电路性能的影响
5.结论
正文：
一、Buck 电路概述
Buck 电路，又称降压型开关电源，是一种基于开关管工作在开关状态下的直流- 直流变换器。
其主要由开关管、电感、电容和二极管等元件组成，广泛应用于电子设备中，为负载提供稳定的直流电压。
二、电感纹波的概念
在Buck 电路中，输出电压的纹波是指输出电压中交流分量的大小。
电感纹波则是指在电感器件上产生的纹波电压。
电感纹波的产生是由于开关管在开关过程中，导致电流发生突变，从而在电感上产生感应电动势，形成纹波。
三、比例系数的定义和计算方法
比例系数是用来描述电感纹波与输出电压之间的关系的一个系数，通常用字母K 表示。
比例系数K 的计算公式为：
K = (Vrms_纹波) / (Vrms_输出)
其中，Vrms_纹波表示电感纹波的有效值，Vrms_输出表示输出电压的有效值。
四、比例系数对Buck 电路性能的影响
比例系数K 对Buck 电路的性能有重要影响。
当比例系数K 增大时，电感纹波的幅值也会增大，导致输出电压的纹波电压增大，从而降低输出电压的稳定性；反之，当比例系数K 减小时，电感纹波的幅值也会减小，输出电压的纹波电压减小，提高输出电压的稳定性。
五、结论
总结来说，Buck 电路中电感纹波的比例系数是一个重要的参数，影响着电路的输出电压纹波。
Buck开关电源设计中,输出波纹怎么计算？
Buck开关电源设计中，输出波纹怎么计算？
对滤波效果而言，电容的ESL和ESR参数都很重要，电感会阻止电流的突变，电阻则限制了电流的变化率，这些影响对电容的充放电显然都不利。
优质的电容在设计及制造时都采取了必要的手段来降低ESL和ESR，故而横向比较起来，同样的容量滤波效果却不同。
纹波电压主要由几个部分引起
1、电容的ESR引起的
2、电容的ESL引起的
3、电容的充放电引起的
4、噪声引起的
以Buck开关电源为例来计算一下：
电容的ESR引起的纹波计算公式
电容的ESL引起的纹波计算公式
电容的充放电引起的纹波计算公式
对于此条计算可能有部分人不太理解，下面我们一起来分析一下：
当△ic流过理想电容C时，在C两端产生的电压变化如下
由上面图（f）中最下一个电流波形可知Buck 电路在达到平衡工作状态时, 在Io 的上方为电容充电电流, 而Io 下方为电容放电电流, 由图形中即可知纹波积分的上限应该选择.toff/2、下限取ton/2.
计算积分得到。
BUCK电路降纹波的详解
详细解析Buck电路开关电源纹波的有效抑制方法2013-10-11 09:51 来源：电源网作者：云际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。
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。
Buck电路产生纹波的机理及计算1、纹波电流计算电感的定义：λ为线圈磁链、N为线圈匝数、i为流经线圈的电流、Φ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：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：关断状态L两端的电压：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，所以可以用替换，代入式(4)并整理得：可以认为Δi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：Δion为导通状态纹波电流；ton为导通时间；Δioff为关断状态纹波电流；toff为关断时间。
buck电路纹波电流计算公式
buck电路纹波电流计算公式一、引言在电力电子领域中，b u ck电路是一种常用的降压型直流-直流（D C-D C）变换器。
在bu ck电路中，电感和电容是关键元件，它们会引起输出电流的纹波现象。
准确计算b uc k电路中的纹波电流对于电源设计和功率管理至关重要。
本文将介绍b uc k电路纹波电流的计算公式。
二、纹波电流的定义纹波电流是指在任意时间点，电流值较理想直流电流存在一定的涨落。
在b uc k电路中，纹波电流的大小和波形直接影响到输出电压的稳定性和负载调整能力。
三、理想b uck电路的纹波电流计算公式在理想情况下，b uck电路的纹波电流可以通过以下简化公式计算：\[I_R=\f ra c{{V_{in}-V_{o ut}}}{{f\cd o tL}}\]其中，-\(I_R\)是纹波电流；-\(V_{in}\)是输入电压；-\(V_{ou t}\)是输出电压；-\(f\)是开关频率；-\(L\)是电感的感值。
四、考虑电路效应的纹波电流计算公式在实际应用中，考虑各种电路效应后的纹波电流公式相对复杂，但仍然可以通过以下公式进行计算：\[I_R=\f ra c{{V_{in}-V_{o ut}}}{{f\c dot L}}+\fr ac{{V_{ou t}\cd ot D\cd ot(1-D)}}{{8\cd ot f\cdo t L}}\]其中，-\(D\)是占空比，表示开关关闭时间与开关周期的比值。
五、纹波电流的影响因素b u ck电路纹波电流的大小受到多个因素的影响，主要包括：1.输入电压的大小；2.输出电压的大小；3.开关频率；4.电感感值；5.占空比。
了解这些影响因素对纹波电流的影响程度，可以帮助工程师在设计电源时进行恰当的参数选择。
六、纹波电流的降低方法纹波电流对电源的负载调整能力有一定影响，因此需要采取一些措施来降低纹波电流，例如：-选择合适的电感参数；-采用滤波电容以减小纹波电流；-调整开关频率和占空比。
buck电路减小纹波措施
buck电路减小纹波措施
Buck电路具有简单、高效、成本低等优点，但是在实际应用中，其输出电压容易受到输入电压的变化和负载变化的影响，从而产生纹波。
为了减小纹波，可以采取以下措施：
1. 选用高质量的电容和电感，以降低输出纹波。
在选择电容时，应考虑其容值和工作电压范围，同时注意其ESR和损耗。
2. 采用电压稳定器，以降低输入电压的变化对输出的影响。
常用的稳压器有线性稳压器和开关稳压器，其中开关稳压器具有效率高的优点。
3. 增加输出滤波器，以降低纹波。
滤波器可以采用低通滤波器或降噪滤波器，选择合适的滤波器可以有效地减小纹波。
4. 增加反馈环路，以提高稳定性和减小纹波。
反馈环路可以实现输出电压的精确控制，同时可以减小电路的灵敏度和纹波。
以上措施可以单独或组合使用，根据具体情况选择合适的方案，可以有效地减小buck电路的纹波，提高其稳定性和可靠性。
- 1 -。
基于BUCK变换器的电源设计
基于BUCK变换器的电源设计BUCK变换器是一种常用的电源设计方案，常用于将高电压转换为低电压供给电路。
它采用了脉宽调制（PWM）技术来有效地控制输出电压和电流，具有高效率和稳定的输出特性。
在进行基于BUCK变换器的电源设计时，需要考虑输入和输出电压、输出电流需求，以及稳定性、可靠性等因素。
下面将详细介绍BUCK变换器的电源设计过程。
首先，确定输入和输出电压。
根据应用需求，需要确定输入电压和输出电压的范围。
输入电压一般由系统电源提供，可以是直流电或交流电，也可以是电池供电。
输出电压则根据应用需求确定，可能是固定值或可调节的。
接下来，计算输出电流。
根据系统中各个组件的功率需求和电流消耗，可以估算出所需的输出电流。
输出电流需要考虑到系统的最大负荷情况，以确保BUCK变换器能够稳定输出所需的电流。
然后，选择合适的BUCK变换器芯片。
根据输入和输出电压、输出电流需求，选择合适的BUCK变换器芯片。
散热设计、开关频率、效率等因素也需要考虑进去。
常见的BUCK变换器芯片有TI的LM2596、ST的LM2596等，可以根据实际需求选择。
接着，设计输入滤波电路。
由于BUCK变换器对输入电压的纹波幅度和频率有一定的要求，因此需要设计输入滤波电路来滤除输入电压中的纹波。
输入滤波电路可以采用电感和电容组成的滤波器，根据输入电压的纹波要求来选择合适的电感和电容值。
然后，设计输出滤波电路。
BUCK变换器输出电压通常存在一定的纹波，为了减小或滤除输出电压的纹波，需要设计输出滤波电路。
输出滤波电路可以采用电感和电容组成的滤波器，根据输出电压的纹波要求来选择合适的电感和电容值。
接下来，进行稳压器设计。
为了保证BUCK变换器输出电压的稳定性，需要设计一个稳压器。
稳压器可以采用反馈控制电路，通过调整PWM宽度来实现对输出电压的精确控制。
稳压器还可以采用放大器、比较器等元件来构成反馈环路，以实现电压稳定。
最后，进行保护电路的设计。
由于BUCK变换器中存在高电压和高电流，还有可能出现过电流、过载、过温等情况，因此需要设计一些保护电路来保证BUCK变换器的正常运行。
开关电源纹波的测量和抑制
开关电源输出纹波的测量和抑制开关电源纹波的产生我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生，首先要清楚开关电源纹波的种类和产生原因。
上图是开关电源中最简单的拓扑结构-buck降压型电源。
随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。
所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。
它与输出电容的容量和ESR有关系。
这个纹波的频率与开关电源相同，为几十到几百KHz。
另外，SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。
这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。
同样二极管D在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。
这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。
如果是AC／DC变换器，除了上述两种纹波(噪声)以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。
还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。
开关电源纹波的测量基本要求：使用示波器AC耦合20MHz带宽限制拔掉探头的地线1，AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。
2，打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。
因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。
3，拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。
很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。
但在判断是否合格时要考虑这个因素。
还有一点是要使用50Ω终端。
横河示波器的资料上介绍说，50Ω模块是除去DC 成分，精确测量AC成分。
但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。
(完整word版)基于Buck变换器的开关电源设计【适合做课程设计】
基于Buck变换器的开关电源设计摘要一个高可靠性的电源系统需要大功率宽电压输入范围的DC/DC变换，在充分考虑不同DC/DC变换器拓扑特点的基础上，选用Buck作为系统的电路拓扑.本文介绍了Buck电路的工作原理，对整个闭环结构进行设计与研究,并附以相关电路图表示。
并选择符合规范的元器件，计算产品的成本.关键词Buck拓扑；DC/DC；开关电源;MC34063第一章概述开关电源是利用现代电子电力技术控制功率器件(MOSFET、三极管等）的导通和关断时间来稳定输出电压的一种稳压电源，具有转换效率高，体积小,重量轻，控制精度高等优点。
1。
1基本要求输入直流9V-12V,输出5V，5W；开关振荡频率40KHz。
1.2方案设计采用MOSFET作为功率转换元件,MOSFET具有压降小，输入电阻高，动态特性好等特点。
控制方案采用集成电路MC34063单路PWM控制芯片，极大简化电路设计。
第二章开关电源输入与控制部分设计2。
1 开关电源工作原理开关电源是指调整管工作在开关方式，只有导通和截止两个状态，图2-1为工作过程。
基准电压为固定值,由于输入波动或负载变化导致输出电压减小，采样电压将减小，经过比较放大后，脉冲调制电路根据这个误差，提高占空比使输出电压增大.同理,当由于输入波动或负载变化导致输入电压增大时,脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小，以此来控制输出电压的稳定。
图2-1 开关电源原理框图2。
2 Buck 调整器的基本工作方式Buck 调整器的基本电路如图2-2所示,晶体管Q1与直流输入电压dc V 串联，通过Q1的开通与关断，在V1处产生方波电压，采用恒频占空比可调的方式（PWM),在V1出产生方波电压，Q1导通时间为on T 。
Q1导通时V1点电压为dc V ，电流通过串接的电感L0流入输出端,Q1关断时，电感L0产生反电动势，使V1点电压迅速下降到0并变负，直至被D1钳位于—0。
8V 。
假设二极管导通压降为0,则V1点电压为矩形波，该方波电压平均值为T T V on dc /。
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[ 2]
电力电子技术 , 2000, 34( 6) : 28- 30.
On Calculation of Switch Ripple Current Based on Buck Circuit
L I Zheng - hui, XI Zi qiang ( S chool of El ectr ical & El ect roni c Eng in. , H ubei Uni v . of T echnol ogy , Wuhan 430068, China) Abstract: With t he analy sis of t he Buck circuit, the fo rmula o f ripple current and t he f ormula of ripple v olt ag e are g iv en in t his paper. T hen, w it h t he analysis of t he f orm ula, t he facto rs w hich af fect t he ripples are fo und out and t he improved met hods are given. Keywords: buck circuit ; r ipple current ; ripple v olt ag e [ 责任编辑: 张岩芳]
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.
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 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 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 .
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.
电感的定义: L = dK= N d 5 . di di ( 1)
K为线圈磁链 ; N 为线圈匝数 ; i 为流经线圈的电流; 5 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 L di = N d 5 = v. dt dt 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. 导通状态 L 两端的电压 V on = V i - V sat - V o , 关断状态 L 两端的电压 V of f = - V F - V o . V sat 为开关管的导通压降 ; V F 为二极管的导通压降. 由于 V sat 和 V F 相对于 V i 和 V o 很小 , 这里忽略 不计, 可以得到 V on = V i - V o , V of f = - V o . 可以看出 V on 和 V of f ( 2) ( 3) di 都是常数 , 即对于 L = v ,不 dt
[ [ 1]
参
考
文
献
]
张占松 , 蔡宣三 . 开关电源的原理与设计 [ M ] . 北京 : 电 子工业出版社 , 1999. 李 宏 . 浅谈开关直流电源的纹波抑 制问题 [ J] . 西安 :
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 ,
$ i on 为导通状态纹波电流; ton 为导通时间 ; $ i of f 为关 断状态纹波电流 ; t of f 为关断时间. 在电源稳定工作时, $ i on = - $ i of f = $ iL , 代入式( 7) , 整理得 t 进而得出 ton Vo = t on # f s = , t of f + ton Vi Vo ton = . Vi # f s f s 为开关频率. 将式 ( 8) 代入式 ( 5) , 得
2 Buck 电路产生纹波的机理及计算
2. 1 纹波电流计算
论在导通状态还是在关断状态都有 di = v = const ( 4) dt L $ i di 为常数 , 所以可以用 替换 , 代入式 ( 4) 并整理 $ t dt 得
[ 收稿日期 ] 2007- 01- 30 [ 作者简介 ] 刘郑辉 ( 1981- ) , 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 .
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 $ i C 流过 ESR 时, 会在 ESR 两端 产生电压降 , 其值为 $ V ESR = ESR # $ iL . 以总的纹波表达式为式 ( 10) 和式 ( 11) 的和 , 即 1 V ro = $V C + $ V ES R = $ i L ESR + = ( 8 # f s # C) V o ( 1 - V o / V i ) ES R + 1 . f s #L ( 8 # f s # C) V ro 为总纹波; ESR 为 C 的等效串联电阻 . ( 12) ( 11) $V ES R 也会作为纹波的一部分表现 在输出端上, 所
( 9)
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 m 8 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 V o ( 1- V o / V i ) . 如果 L 或者 f s 增大 , 则 V ro 变小 , 可 f s #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 V o 对 V ro 的变化率. 在所有其他因素都不改变的条件下 , 将 V ro 对 V o 求导 , 可得 5 V ro Vo = K 1- 2 5V o ( V i) 其中 1 1 ESR + . f s # L( 8 # f s # C)
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 + i C . 设在稳态下, 输出到负载的电流不变. 所以有 $ iL = $ iC. 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$ i L 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. $ i C 加之于 C 就会产生 纹波电压 . 首先计算第一部分. 当 $ i C 流过理想电容 C 时 , 在 C 两端产生的电压变化 Q = 1 iC d t, $V C = $ C C 取积分下限为 ton / 2 , 积分上限为 tof f / 2 , 计算积分得
计算第二部分, 对于一般电容 还有并 联等效 绝缘 电
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 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 .
of f
Vo , V - Vo
i
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 ES R + ( 8) 1 .试 8# f s # C
取一个典型的值计算一下 , 如 f s = 300 kH z, C = 470 LF, 可知为 1 = 0 . 89 m 8 . 尽管 对于 8 #f s #C
Q
K = 令
( 12)
$ VC =
$ iL . 8 #f s #C
( 10)
5 V ro Vi = 0, 有 V o = , 此时电源输出的纹波最大. 5V o 2
V o 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