BUCK电路降纹波的详解
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电路电感纹波的比例系数
buck电路电感纹波的比例系数在电子电路设计中，buck电路是一种常见的降压稳压电路，它主要包括电感、开关管、二极管以及输出滤波电容等元件。
在实际应用中，我们往往需要考虑电感的纹波电流，而电感纹波的比例系数则是评估电路稳定性的重要指标。
电感纹波的比例系数是指电感输出端的纹波电流与输入电流之比。
它反映了电感对电路稳压性能的影响程度，也可以用来评估电路的功率转换效率。
在buck电路中，电流流经电感时会产生磁场，当开关管关闭时，电感储存的磁能会向输出端释放，从而供给负载。
然而，在瞬态过程中，电感纹波电流会引起输出电压的波动，从而影响稳压性能。
因此，我们需要通过计算电感纹波的比例系数来评估电路的稳定性。
为了计算电感纹波的比例系数，我们需要先确定电感纹波电流和输入电流的表达式。
假设输入电流为Iin，输出电流为Iout，电感两端的电压降为ΔVL。
根据基本电路理论，我们可以得到以下关系：ΔVL=(1-D)×Vout其中，D为占空比，等于开关周期内开关管导通时间与周期的比值。
而电感纹波电流可表示为：ΔIout=(1-D)×Vin/L×Δt其中，Vin为输入电压，L为电感的电感值，Δt为电感纹波电流的时间间隔。
据此，我们可以得到电感纹波的比例系数为：ΔIout/Iin=(1-D)×Vin/L×Δt/Iin通过对以上表达式的计算，我们可以获得电感纹波的比例系数。
一般来说，我们希望电感纹波电流尽可能小，这样电路的稳定性和功率转换效率会更高。
因此，我们可以调整电感的选取和占空比的控制，来降低电感纹波的比例系数，以提高电路的性能。
总结起来，buck电路中电感纹波的比例系数是评估电路稳压性能和功率转换效率的重要指标。
在电路设计中，我们应该注意优化选取电感和控制占空比，以降低电感纹波的比例系数，从而实现电路的稳定工作。
同时，我们也要注意综合考虑其他因素，如成本、尺寸等因素，以满足实际应用需求。
如何抑制电源纹波
如何抑制电源纹波直流电压波动会产生纹波现象，叠加在直流上的分量称为纹波，在我们平常的应用中DCDC输出电源纹波过大对于正常工作的芯片可能会造成影响，严重的会导致CPU挂机，如：板载DDR颗粒的VDD纹波过大可能会使得CPU对于DDR的数据读写出错，CPU访问到非法地址空间造成芯片的挂机。
电源输出交流纹波可以视为是直流输出叠加一个交流成份；从图中可以看出，纹波中包括了两个交流成份：一个DCDC输出的纹波信号与一个高频噪声的叠加。
在龙芯3A3000手册中对于芯片的电源纹波有明显的规定。
因此对于DCDC输出电压的纹波抑制显得尤为重要。
根据BUCK电路输出纹波计算公式：减少DCDC输出纹波的几种方式如下：1、增大BUCK输出电容：增大输出电容容量也就是增大了电源系统所存储的能量，当CPU在加载过程中需要大电流提供时，电源平面上较大的电容即可为CPU 提供瞬时所需的能量，使得电压波动不大。
但是电容的选择也是很重要的，对于小电流电源平面（负载电流3A这种）可能增加些许陶瓷电容即可达到较好的需求，但是对于大电流电源平面（负载电流上百A这种），所增加的电容容量就会变得很大，此时ESR就变成了考虑对象。
通常CPU的核心电源都是低压大电流的，一般选择大容量低ESR的高分子铝电解电容，而不选择铝液体电解电容。
铝液体电解电容不同规格ESR如下：高分子铝电解电容不同规格EESR如下：基本上为mΩ级2、增大电源芯片的开关频率：提高高频纹波频率，有利于抑制输出高频纹波，但是过大的开关频率容易造成EMI辐射超标，因此开关频率最好还是选择一个合适的值。
3、增大输出电感：根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。
所以加大电感值可以减小输出电源的纹波。
4、优化反馈环路设计：4.1、增加前馈电容因为电源的反馈断加入了前馈电容，所以与反馈电阻形成新的零点和极点，虽然Cff在其零点频率之后引入了增益提升，此处涉及较深的控制理论，此处不再展开叙述。
BUCK电路降纹波的详解
B UC K电路降纹波的详解 The document was finally revised on 2021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降压斩波电路
BUCK降压斩波电路简介BUCK降压斩波电路是一种常见的电源管理电路，主要用于将高电压的直流电源转换成稳定的低电压输出。
该电路采用降压斩波方式工作，通过控制开关管的导通和断开来实现电压的降压和稳定输出。
本文将详细介绍BUCK降压斩波电路的原理、构成和工作原理。
原理BUCK降压斩波电路的基本原理是利用开关管的导通和断开操作周期性地截断输入电压，并通过滤波电容和电感来实现电压的平滑输出。
具体原理如下：1.开关管导通：当开关管导通时，输入电压通过电感和滤波电容被存储为电感储能和电容储能。
此时，输出电压为输入电压减去开关管的压降。
2.开关管断开：当开关管断开时，电感储存的能量被传递到输出电路，从而维持输出电压的稳定。
此时，电容电压继续供电并保持输出电压的平滑。
通过周期性地切换开关管的导通和断开，BUCK降压斩波电路能够实现高效、稳定的电压降低和输出。
构成BUCK降压斩波电路主要由以下几个组成部分构成：1.输入滤波电容：用于平滑输入电压和过滤高频噪声。
2.输入电感：用于储存输入电流和提供电源电流。
3.开关管：用于控制电路的导通和断开操作。
4.输出电感：用于储存能量并平滑输出电压。
5.输出滤波电容：用于继续平滑输出电压。
6.负载：用于连接电路的输出端。
工作原理BUCK降压斩波电路的工作原理可以通过以下几个步骤来解释：1.正常工作状态下，开关管导通，输入电压通过输入滤波电容并存储在电感和输出滤波电容中。
2.当电压达到设定的输出电压时，控制电路检测到此信号，并命令开关管断开。
3.开关管断开后，电感释放存储的能量，通过输出电感和输出滤波电容提供稳定的输出电压。
4.当输出电压降低到设定值以下时，控制电路再次命令开关管导通，回到步骤1，循环进行。
BUCK降压斩波电路通过不断调整开关管的导通和断开时间来控制输出电压的稳定性和精度。
同时，还能通过反馈电路实时感知输出电压，并通过控制信号精确调整开关管的工作状态，以达到理想的输出效果。
开关电源波纹的产生、测量及抑制,一篇全搞定
开关电源波纹的产生、测量及抑制，一篇全搞定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。
BUCK电路
BUCK电路详解降压式变换电路（Buck电路）详解BUCK电路基本结构左下：开关导通时等效电路；右下：开关关断时等效电路等效的电路模型及基本规律（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。
（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上输出的直流电压Uo有：电容上电压宏观上可以看作恒定。
电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。
（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。
这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。
（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。
假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：此增量将产生一个平均感应电势：此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。
这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。
这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。
电感稳态工作过程分析电流连续。
buck电路电感纹波的比例系数
buck电路电感纹波的比例系数Buck电路是一种常见的降压型直流-直流转换器，广泛应用于电子设备电源、电池充电器等领域。
在Buck电路中，电感、电容和二极管等元件的选取与设计对于电路性能至关重要。
本文将重点介绍Buck电路中电感纹波比例系数的计算、影响因素及其应用。
一、Buck电路简介Buck电路主要由开关管、电感、电容和二极管等元件组成。
开关管在脉冲宽度调制（PWM）控制下，实现输入电压与输出电压之间的能量传递。
电感和电容分别用于滤波和平滑输出电压。
在Buck电路中，电感的作用尤为重要，不仅影响输出电压的纹波，还关系到电路的稳定性和效率。
二、电感纹波比例系数的计算电感纹波比例系数是衡量Buck电路输出电压纹波大小的一个重要参数，其数值表示为：K = (Vin × ton) / (2 × Vout × toff)其中，Vin为输入电压，ton为开关管导通时间，Vout为输出电压，toff 为开关管关断时间。
三、影响电感纹波比例系数的因素1.电感值：电感值越大，纹波比例系数越小，输出电压纹波越小。
但在实际应用中，电感值过大会导致电路体积和重量增加，成本上升。
2.开关频率：开关频率越高，电感的充放电速度越快，纹波比例系数越小。
但开关频率过高会导致开关损耗增大，电路噪声增加。
3.电容值：电容值越大，输出电压纹波越小，但电容体积和成本也会相应增加。
4.负载电流：负载电流越大，电感的电流变化率越大，纹波比例系数越大。
四、电感纹波比例系数在Buck电路中的应用1.设计阶段：在设计Buck电路时，根据所需输出电压、电流和负载特性，选取合适的电感、电容值，计算电感纹波比例系数，以确保输出电压的纹波满足设计要求。
2.性能优化：在实际应用中，可通过调整开关频率、电感电容参数等方法，优化电路性能，降低输出电压纹波。
3.故障诊断：当Buck电路出现故障时，可通过检测电感纹波比例系数的变化，判断故障原因和损坏元件。
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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。
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。
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：
设在稳态下，输出到负载的电流不变。
所以有：
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ΔiL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。
ΔiC加之于C就会产生纹波电压。
首先计算第一部分。
当ΔiC流过理想电容C时，在C两端产生的电压变化：
取积分下限为ton/2，积分上限为toff/2，计算积分得：
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ΔiC流过ESR时，会在ESR两端产生电压降，其值为：
ΔVESR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：
Vro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。
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：试取一个典型的值计算一下，如fs=300kHz，C=470μF，可知为
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mΩ之间，由此可见ESR是纹波产生的主要因素，并且C取值的增加不会显着改变纹波。
2)其次观察等式右边的前半部分
如果L或者fs增大，则Vro变小，可以减小纹波，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Vo对Vro的变化率。
在所有其他因素都不改变的条件下，将Vro对Vo求导，可得：
其中：
令
有，
此时电源输出的纹波最大。
Vo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。
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，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。