开关电源电压(开关电源输出纹波电压的理论计算值详解)

Posted 2023-05-25

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开关电源电压(开关电源输出纹波电压的理论计算值详解)

开关电源输出纹波电压首先要有理论计算值......

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

由于

则

漏电流小，ESR小，一般都是认为要选择低ESR的系列，不过也与负载有关，负载越大，ESR不变时，纹波电流变大，纹波电压也变大。我们从公式上来看看，dV*C=di*dt;dv就是纹波，di是电感上电流的值，dt是持续的时间。一般的开关电源书籍都会讲到怎么算纹波，大题分解为：滤波电容对电压的积分+滤波电容的ESR+滤波电容的ESL+noise，如下图：

一般对纹波的计算通常是估算有关开关电源纹波的计算，原则上比较复杂，要将输入的矩形波进行傅立叶展开成各次谐波的级数，计算每个谐波的衰减，再求和。最后的结果不仅与滤波电感、滤波电容有关，而且与负载电阻有关。当然，计算时是将滤波电感和滤波电容看成理想元件，若考虑电感的直流电阻以及电容的ESR，那就更复杂了。所以，通常都是估算，再留出一定余量，以满足设计要求。对样机需要实际测试，若不能满足设计要求，则需要更改滤波元件参数。

以Buck电路为例，电感中电流连续和断续，开关电源的传递函数完全不同。电流连续时环路稳定，电流断续时未必稳定。而电感中电流是否连续，除与电感量等有关外，还与负载有关。更严重的是，电流是否连续还与占空比有关，而占空比是由反馈电路控制的。不仅Buck，其它如Boost以及由基本拓扑衍生出来的正激、反激等也是一样。

若要求所有可能产生的工作状态下都稳定，通常要加假负载以保证Buck电路电感电流总是连续(对Buck/Boost或反激则保证不会在连续断续之间转变)，或者把反馈环路时间常数设计得非常大(这会在很大程度上降低开关电源的响应速度)。对输出电压可调整的开关电源(例如实验室用的0～30V输出电源)，环路稳定的难度更大。对这类电源，往往要在开关电源之后再加一级线性调整。

电解电容的选择很重要

在输出端采用高频性能好、ESR低的电容，高频下ESR阻抗低，允许纹波电流大。可以在高频下使用，如采用普通的铝电解电容作输出电容，无法在高频(100kHz以上的频率)下工作，即使电容量也无效，因为超过10kHz时，它已成电感特性了。