Buck恒流电源的输出纹波分析与优化设计
Buck电路中分析开关电源纹波抑
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。
在电源稳定工作时，
ΔiL为线圈上纹波电流的绝对值。将式(5)和式(6)代入式(7)，整
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
理得：
进而得出：
fs为开关频率。
将式(8)代入式(5)，得：
式(9)即为纹波电流的表达式。
Buck电路中分析开关电源纹波抑
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。
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
2.1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：
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电路的原理分析和参数设计
Buck电路的原理分析和参数设计连续工作状态一Buck工作原理将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比例（占空比）来控制输出直流电压的平均值。
该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。
Q导通：输入端电源通过开关管Q及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电。
电感相当于一个恒流源，起传递能量作用电容相当于恒压源，在电路里起到滤波的作用Q闭合:电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。
导通时Q的电流闭合时C的电流L的电流和输出电流的关系。
输出电压与输入电压的关系（不考虑损耗）二 buck 的应用Buck 为降压开关电路，具有效率高，体积小，功率密度高的特点1．Buck 的效率Buck 的损耗：1.交流开关损耗 2.管子导通损耗3.电感电容等效电阻损耗Buck 的效率很高，一般可以达到60%以上，2．Buck 的开关频率频率越高，功率密度越大，但也同时带来了开关损耗。
在25~50KHZ 范围内buck 的体积可随频率的增大而减小。
三．参数的设计1．电感的参数电感的选择要满足直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。
在临界不连续工作状态时 2120I I I -=ON OI T I V V L 20-=' ON I T LV V I I 012-=- 所以L L '≥ L 越大，进入不连续状态时的电流就越小2．电容的参数电容的选择必须满足输出纹波的要求。
电容纹波的产生：1. 电容产生的纹波： 相对很小，可以忽略不计2. 电容等效电感产生的纹波：在300KHZ~500KHZ 以下可以忽略不计3. 电容等效电阻产生的纹波：与esr 和流过电容电流成正比。
为了减小纹波，就要让esr 尽量的小。
不连续工作状态（1）开关管Q 导通，电感电流由零增加到最大（2）开关管Q 关断，二极管D 续流，电感电流从最大降到零； （3）开关管Q 和二极管D 都关断（截止），在此期间电感电流保持为零，负载由输出滤波电容来供电。
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。
基于BUCK变换电路的恒流源设计
一．设计要求1.输入电压直流200V。
2.阻性负载，负载电阻在5~20Ω范围内变化。
3.输出电流恒定于5A。
4.纹波电流（纹波电压）低于1%。
5.控制电路可用数字电路（单片机为核心），也可用模拟电路（PWM发生芯片为核心，如SG3525）二、基于buck变换电路的稳压电源：1.关于buck变换器目前高频高效的buck变换器的应用越来越广泛。
通常系统在满输出负载时，系统工作于ccm即连续电流模式。
但是，当系统的输出负载从满载到轻载然后到空载变化的过程中，系统的工作模式也会发生相应的变化。
对buck电路拓扑解释如下：•T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，当时，T导通。
•D：续流二极管。
•L和C组成LPF。
（1） 其工作原理如下：当 时，控制信号使得T 导通，D 截止，向L 充磁,向C 充电；当 时，T 截止，D 续流，U0靠C 放电和L 中电流下降维持。
（2） 主要波形为：[0,]t DT ∈[,]t DT T ∈（3） 假设及参数计算T ，D 均为理想器件，L 较大，使得在一个周期内电流连续且无内阻，直流输出电压U0为恒定，整个电路无功耗，电路已达稳态。
当晶体管T 导通工作模式： （0≤t ≤t1=KT ） 二极管D 导通工作模式：（t1≤t ≤T ）0LL d di u u u L dt=-=21011d I I IU U LL t t -∆-==01()d U U t I L-∆=21I I I ∆=-021I U L t t ∆=-021()U t t I L-∆=则由上式可得：如果假定buck 电路为无损的： 即开关周期T 可表示为 可求得 的表达为 或 及因此，电容上电压峰-峰脉动值为： 得： 或电流断续时状况：01021()()d U U t U t t I L L--∆==121,(1)t kT t t k T=-=-0dU kU =000d d U I U I kU I ==0I kI =00()1()d d I LU T f U U U ∆==-I ∆00()d dU U U I fLU -∆=(1)d U k k I fL -∆=42I T Q ∆∆=8c Q IU C fC∆∆∆==002()8d c dU U U U LCf U -∆=02(1)8c U k k U LCf -∆=• 求Av 根据伏秒平衡律：• 求Dp 平均电流为：据此可得：2.控制电路设计方案一：采用集成稳压器构成的开关恒流源，系统电路构成如图。
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。
BUCK电路方案设计
BUCK电路方案设计在电子领域中，BUCK电路是一种非常常见且重要的电路方案。
BUCK电路是一种降压型DC-DC转换器，也被称为降压开关电源。
它通过将输入电压降低到一个较低的输出电压来实现电源调节功能。
BUCK电路的工作原理是，当开关管导通时，输入电压源通过电感和开关管输出到输出电容上，输出电压上升。
当开关管截止时，电感中的能量继续通过电容供应负载，输出电压下降。
通过这种方式，BUCK电路能够稳定地将输入电压变为较低的输出电压。
1.确定输入和输出电压要求：根据具体应用需求确定输入和输出电压范围。
在此基础上，选择合适的开关管和电感。
2.计算工作频率：选择合适的工作频率，一般常见的有几十kHz到几MHz的范围。
工作频率的选择要平衡转换效率和滤波器尺寸。
3.计算电感和电容值：根据输入和输出电压范围，使用以下公式计算电感和电容值：电感值（L）=（输出电压/工作频率）*（输入电压-输出电压）/输出电流电容值（C）=输出电流/（工作频率*最大纹波电压）4.根据负载要求计算开关管的最大电流和功耗：通过确定负载电流以及开关管的最大导通时间和导通电阻，计算开关管的最大电流和功耗。
5.添加反馈控制：为了实现稳定的输出电压，需要使用反馈控制回路。
一般采用PID控制，通过调节开关管的导通时间来实现输出电压的调节。
6.性能评估和优化：通过仿真和实验评估BUCK电路的性能，包括效率、稳定性和纹波等。
根据评估结果进行优化，例如选择更合适的元件、调整控制参数等。
总之，BUCK电路是一种常用且重要的电路方案，适用于很多应用场景。
通过合理的设计和优化，可以实现稳定、高效的输出电压。
在实际应用中，还需考虑元件的选取、温度变化等因素，并根据具体需求进行优化调整，以实现最佳的电路性能。
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（ 一
一 ） Ｄ
一
△ ＾ Ｖ ／ （ ） ＋ Ｅ Ｓ Ｒ
式（ ３ ） 表明 ， △ 随 的增大而增 大， 但 与 ， ｏ 无关 ， 与 Ｌ成 反 比。 同时 看 见 ， △ 是 的 二
次 函数 ， 故 当 增 大 时 ， △ 不会 单 调 增 大 或 减
便携式 ｘ荧光分析仪在地质、 考古等野外 无损检测中已推广应 用…。Ｘ Ｒ一１ ０ ０ Ｃ Ｒ探测
器需要 ３ ． ５ Ｖ 以下 、 ３ ５ ０ ｍＡ恒 流 电源 对 内置 制
峰值 电流 比 Ｄ Ｃ Ｍ模式小 、 开关管损耗小 、 效率 高， 故Ｂ ｕ ｃ ｋ 型变换器多采用 Ｃ Ｃ Ｍ模式 ， 尽量避 免 进人 Ｄ Ｃ Ｍ 模 式 。因 此 ， 要 高效 率 和低 纹 波 ， 需要对 Ｂ ｕ ｃ ｋ 恒流源 的电感和滤波 电容等进行
Ｂ ｕ ｃ ｋ恒 流 电源 的输 出纹 波分 析 与 优 化 设计
陈国杰 ， 周有平 ， 李斌
（ 佛 山科学技术学院理学 院， 佛山 ５ ２ ８ ０ ０ ０ ）
摘要 ： 对Ｂ ｕ ｃ ｋ恒流 电源 的纹 波电流与 电压进行 了分析 ， 导出了它们的数学式 。用 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ计算 并 讨论 了恒流源 的输入 电压 、 负载电压对输 出纹波的影响 ， 给 出了电感和滤 波电容 的优化设计 方法。设 计
基金项 目： 国家 自然科学基金 （ ６ １ １ ７ ８ ０ ３ ０ ） 。
率为 ｆ ， 开关管 Ｑ的导通时问为 ｔ 导通压降为 Ｖ 续流管 Ｄ的导通压 降为 Ｖ 。 ， 则 占空 比 Ｄ
为 引。
作者简介 ： 陈国杰 （ １ ９ ６ ５一） ， 男， 湖南 祁东 ， 教授 ， 博
１ Ｂ ｕ ｃ ｋ变换 器输 出纹波 的分析
Ｂ ｕ ｃ ｋ变换 器 的 组 成 如 图 ｌ所 示 。Ｑ是 开
感出现饱和。根据 电流是否连续 ， 电感分 为连
续导通模式（ Ｃ Ｃ Ｍ） 、 断续导通模式（ Ｄ Ｃ Ｍ） 和Ｉ 临 界导通模式（ Ｂ Ｃ Ｍ） 三种 Ｊ 。其中 Ｃ Ｃ Ｍ模式 的
第３ ５卷
２ ０ １ ５年
第 ５期
５月
核 电子学 与探测 技术
Ｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． ５
Ｍａ ｖ ． ２ ０ １ ５
优 化设计 ， 尽 可 能采用 较小 的电感 和滤波 电容 ， 以降低便 携 式 电源 的成本 和体 积 。 本 文对 Ｂ ｕ ｃ ｋ恒 流 电 源 的纹 波 电流 和 纹波
冷器供电 ， 以降低探测噪声 ｊ 。由于探测器在
野外工作 ， 需要电池供电 ， 而电池 电压随使用时 间的延长而不断下降 ， 因此为制冷器供电的恒 流电源要求高效 、 低纹波 ， 且在电池电压变化时 保持高性能。
Ａ１ Ｌ
＝
㈩
电感纹波电流 Ａ Ｉ 为：
． ，
由于 △ 与ａ 相位相差 ７ ｒ ／ ２ ， 故图 １ 输 —Ｖ ｏ ） Ｏ
＋ ，¨ ＋
￡
Ｌ
（ ｖ ｉ 一
出的纹波 电压 ３ ｖ ｏ ） 为 ：
ａｖ
ｏ ＝
Ｌ ｆ
． ．
￣ ／ （ △ ） ＋（ △ ） ： （ ８ ）
关管 ， Ｌ 是储能 电感 ， Ｄ是续 流二极管 ， ｃ是滤 波电容， Ｒ 是负载 电阻 ， 电源输入直 流电压 为
Ｖ 输 出直流 电压 、 电流分 别为 Ｖ 。 、 Ｉ 。 。
设Ｂ ｕ ｃ ｋ 变换器工作于 Ｃ ｃ Ｍ模 式 ， 开关频
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５— ０ ４— ０ ７
由式 （ ８ ） 可知 ， Ｂ 。 与电感纹波电流 △ Ｉ 。 成 正 比， 与滤波电容 Ｃ的等效 阻抗 成 正 比。
要降低 Ａ Ｖ 。 ， 一方 面可 以通过增 大 Ｌ和 ｆ
小。将式（ ３ ） 两边对 Ｖ 。 求偏导 ， 得： ｏ （ Ａ Ｉ Ｌ ） 一 一 一Ｖ ｏ ／ ２ ａ 一 Ｌ ｆ （ Ｖ ｉ 一 ＋ ） （ ４ ） 令式 （ ４ ） 的Ｏ （ Ａ Ｉ Ｌ ） ／ Ｏ Ｖ ｏ ＝０ ， 则当 Ｖ ｏ ＝（ ） ／ ２ 时， △ 取极大值 ； 当Ｖ ｏ ／ ｌ ， 于或大 于（ 一 一 Ｖ ｏ ） ／ ２时 ， △ ， Ｌ 均变小。
电压进行分析 ， 导 出它们 的数学式 ， 通过 Ｍ Ａ Ｔ －
Ｌ Ａ Ｂ计算并讨论恒流源的输 入电压 、 输 出电压 对输出纹波的影 响， 得 出电感和滤波电容 的优 化设计方法 。用 Ｘ ４ ０ ０ １ 芯片 为便携式 ｘ荧光
分 析仪设计 一 款可 对探 测器 制冷 控温 的高效 率
开关电源 由于效率高、 体积小 ， 已成功用于 探测仪器中¨ ； 其 中， Ｂ ｕ ｃ ｋ （ 降压） 型变换 器 已
成功应 用 于恒 流 电 源 中 ｊ 。在 Ｂ ｕ ｃ ｋ恒 流 源 的
设计 中 ， 电感 的设 计 是 核 心 和 难 点 。有 些 设 计
测量结果与理论相符 。 者直接采用 Ｂ Ｕ Ｃ Ｋ变换器芯片手册推荐的电感 低纹波恒流电源 ， 值， 这难 以保证恒流源 的效率和输 出纹波为最 优值 ， 甚至在 电池供 电时输人电压变化导致 电
了一款高性价比、 可对探测器制冷控温的携式 ｘ荧光分析仪恒流电源。实验表明， 输出纹波电压随输入 电压的减少而减少 ， 工作效率大于８ ４ ％， 纹波电压小于 １ ０ ｍ Ｖ， 控温精度优于 ± １ ． ５ ℃， 测量结果与理论相
符。
关键词 ： Ｂ ｕ ｃ ｋ恒流 电源 ； 纹波电压 ； 分析 ； 优化设计 中图分类号 ： Ｔ Ｎ ８ ６ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ － ０ ４ ２ ２ － ０ ４
士， 主要从 事物理电子研究 。
４２ ２
ｌ Ｌ
Ｉ Ｉ ｒ
．
０ ｔ ，ｋ
０ ｔ ｌ
（ ｂ ）
（ ｃ ）
。 ＝ 等 ＝
电感平 均 电流 为 ：
１ １ … 电感纹 波 电流 流 的分 析
．
㈩
＋
乙
‘
‘ ｆ
／ ２ ） ｄ ¨