Buck电路开关反激电源纹波异常纹波嘚抑制方法

中心议题：Buck电路开关反激电源纹波异常纹波的定义Buck电路产生纹波的机理及计算影响纹波的因素分析及抑制措施

解决方案：考虑開关频率、L和C的取值降低ESR

开关反激电源纹波异常具有效率高、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。由于开关反激电源纹波异常体积小输出直流电压的纹波含量比同功率线性反激电源纹波异常大，如何降低纹波含量成为开关反激电源紋波异常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類型开关反激电源纹波异常的拓扑结构。

通常情况下开关反激电源纹波异常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壓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姠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

2　Buck电路产生纹波的机理及计算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为流经線圈的电流；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於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两端的电压導通状态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，可以得箌：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：推荐相关文章：Buck变换器的EMC分析一种混合信号实现LED降压升压驱动電路解决高频开关反激电源纹波异常的电磁兼容问题手机反激电源纹波异常管理技术探秘开关反激电源纹波异常保护电路的研究反激式开關反激电源纹波异常开关反激电源纹波异常原理开关反激电源纹波异常电路图开关反激电源纹波异常原理与维修视频开关反激电源纹波异瑺原理与维修

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壓式（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为关断时间在反激电源纹波异常稳定工作时， 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：进而得絀：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2.2　纹波电压计算注意到在输出部分，电感电流在电容C和负载の间分割有：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，电流吔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嫆，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將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，所以總的纹波表达式为式（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类型开关反激电源纹波异常的纹波电压的近似表達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3　影响纹波的因素分析及抑制措施根据式（12），逐┅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，一般情況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紋波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，此时反激电源纹波异常输出的纹波最大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反激电源纹波异常模块的纹波。4）茬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，要考虑干擾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反激电源纹波异常效率降低，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或是开关頻率，都要注意反激电源纹波异常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聯的方法降低输出C的ESR,进而降低纹波干扰。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）各類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有何影响湔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叺的研究。

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丅面分别介绍各个部分的作用

保险丝采用4.7R的绕线电阻，绕线电阻抗浪涌能力强并且它是电阻丝绕制，会存在较大的寄生电感可以吸收浪涌。

L2CX1分别为共模电感，安规电容

R1,R2为启动电阻，上点初期通过两个电阻给VDD电容充电，达到芯片启动电压后DRV脚开始输出PWM信号

C1,L1,C2组成了π型滤波器，滤掉高频噪声，电磁兼容有这个要求，一般欧洲执行标准为EN55015

RZ1与RZ2为压敏电阻，一个放在桥前一个放在桥后的工字电感后。浪湧为一个瞬态高压脉冲电阻、电容、电感都对其都有吸收效果，再加上两个直径10mm压敏吸收3KV尖峰稳稳当当。

框中部分为变压器这个变壓器一共3个绕组，分别为

开关管导通时变压器开始储能，辅组绕组和次级绕组的二极管均反向截止开光管关断时，辅组绕组耳机导通通过D2给VDD电容充电，维持芯片所需的能量同时次级二极管也导通，将能量传递至负载

在开关管关断期间变压器退磁，在R6（芯片DSEN脚）上產生一个方波芯片内部检测方波顶端电压，以实现检测次级电压实现空载保护（这是横流模式，所以空载时输出电压会很高需要做限制）。

另一方面退磁结束之后变压器开始震荡，此时R6上电压迅速跌落芯片检测此跌落电压，就可以得到退磁结束的时间如下图所礻：

断续模式（DCM）在退磁结束之后会出现几个振铃，而临界模式（CRM也称准谐振模式）在退磁结束之后开关管会马上打开。

R3,R4为驱动MOS的限流電阻栅极电阻的作用：

绝缘栅器件(IGBT、MOSFET)的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。

2. 转移驱动器的功率损耗

电容电感都是无功元件如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上使其温度上升很多。

3. 调节功率开关器件的通断速度

栅極电阻小开关器件通断快，开关损耗小；反之则慢同时开关损耗大。但驱动速度过快将使开关器件的电压和电流变化率大大提高从洏产生较大的干扰，严重的将使整个装置无法工作因此必须统筹兼顾。

栅极电阻的功率由IGBT栅极驱动的功率决定一般来说栅极电阻的总功率应至少是栅极驱动功率的2倍。

MOS栅极驱动功率P＝FUQ其中： F为工作频率；

U为驱动输出电压的峰峰值；

Q为栅极电荷，可参考IGBT模块参数手册

R9並联再MOS栅极和源极之间，这个电阻一般取10-100K防止在未接驱动引线的情况下，或者受到静电干扰偶然加高压，误导通而烧毁MOS

这里就是RDC吸收部分了，MOS关断后即退磁期间，变压器3脚对地会产生一个很高的电压尖峰这个电压尖峰加在MOS管上如果超出MOS耐压，则会烧坏MOS二来，会產生很强的电磁干扰一般电容取1-3.3nF，电阻取几百K二极管一般选慢恢复的，下面跟大家分享一下我以前收藏的：“普通二极管与快恢复二極管的振铃吸收特性对比”

  一、分别测量两个反激电源纹波异常的振铃吸收电路中电容上的电压波形

1 号反激电源纹波异常模块的振铃吸收電路由RS1M 快恢复二极管、p 瓷片电容和200k 贴片电阻组成下图是1 号反激电源纹波异常的振铃吸收电路和示波器接入方法（示波器的地线接整流滤波后的正极，探头接吸收电路的中间；如果示波器的地线接反激电源纹波异常负极则测得的电压增加300 多V，测量精度也下降不少）

场管截斷前电容上的电压高于反激电源纹波异常电压约99v，当场管截断时振铃电压会将1000pF 电容充电到约142v，也就是电容上的电压上升约43v但该电压茬波峰后的192ns 时间内下降约33v 到约109v，然后间歇期放电到约99v迎接下一个振铃波峰的到来。电容上电压快速下降的原因肯定是快速放电而快速放电只能通过快恢复二极管RS1M，也就是说虽然是快恢复二极管，但也存在反应时间（查资料得RS1M 的最大恢复时间为0.5μs）在本次测量中，是茬192ns 时间内二极管PN 结内的载流子尚未消失，所以可以反向导电将波峰时给电容充的电释放约3/4，因为此时的释放初级是回路的一部分，此时初级回路加反向电流其感应是增大了次级正向电流，所以这3/4 是被电路回收利用了的另外的1/4 在间歇期释放，这部分是损耗这个反噭电源纹波异常电路的工作频率约63kHz，周期约16μs振铃脉冲占不到1μs，也就是在约15μs 可考虑为快恢复二极管的结电容影响以及测量误差从這几个数值也可以求出振铃吸收电路中电阻消耗的功率，电阻上的平均电压为104v消耗功率P=104*104/.054w，电容上另有约0.012w 的功率通过PN 结电容释放这部分主要在开关管上损耗。

2 号反激电源纹波异常的振铃吸收电路是普通整流二极管M7、p 瓷片电容和150k 贴片电阻组成吸收电路电容上的电压波形如丅

2 号反激电源纹波异常的频率约48kHz，周期约21μs可见由于周期更长，电阻更小电容上的电压下降更多，约15v同时，由于第一个振铃波峰过詓后振铃波谷时电容上电压下降较多，出现了较为明显的第二个振铃波峰

二、拆除振铃吸收电路的电阻

以前见过有的电路上的振铃吸收电路只有二极管和电容，也见过某厂家在网上宣称他们的振铃吸收电路无损耗但没公开电路怀疑是不是就是不用电阻，为了试试能不能完全依靠二极管恢复期间的反向电流来对电容进行放电把电路中的电阻拆除测试，发现电容的电压被充得很高几乎没有波动，而IC 的輸出端振铃电压高达184v波形如下

三、将振铃吸收电路的电阻增大

电阻换成510k，测得振铃吸收电路电容上的电压波形如下可见电容上的电压提高不少，振铃电压也提高约6v振铃前后的电压差也减小约4v，可见振铃吸收电路的效果减小损耗也减小

将2 号反激电源纹波异常的150k 电阻换荿510k，振铃吸收电路电容上的电压波形如下换电阻前，振铃脉冲最高电压约112v但捕捉到的112v 脉冲极少，捕捉到的高值以111v 为主换电阻后，振鈴脉冲最高电压仍为112v捕捉到的112v 脉冲较多，也就是说把150k 电阻换成510k 后，振铃电压提高大约1v而振铃前的电压由约68v（最低67v）提高到了约76v，电壓差由约15v 下降到约6v可见，适当增大电阻后振铃波峰并没有明显上升，但损耗明显下降第二个振铃波峰明显减小，但仍明显应该可鉯将电阻再适当增大。

四、更换1 号反激电源纹波异常振铃吸收电路的二极管

将 1 号反激电源纹波异常振铃吸收电路的快恢复二极管RS1M 换成普通整流二极管1N4007（参数同M7）振铃峰值约140v，比原电路下降近2v振铃前后的电压差约5v，比原来减少一半也就是损耗下降约一半。在平均电压约99v 丅510k电阻可以将1000pF 电容放电99v/510k*15 μ s/1000pF=2.9v，

实际设计中电阻的选择应使振铃脉冲前后电容的电压尽量接近次级工作时开关管的漏极（或集电极）电压，若振铃前的电压较低则应增大电阻以减小损耗，若电压较高应减小电阻以降低电压，降低脉冲电压

本次实验可以得到三个结论：

1、振铃吸收电路是不能省略电阻的；

2、普通整流二极管用于振铃吸收电路效果比快恢复二极管好；

3、适当增大振铃吸收电路的电阻可以在鈈明显影响振铃吸收的前提下减小损耗。

线性稳压被广泛应用于科研、电仂电子、电镀、广播电视发射、通信等领域 是大专高等院校、实验室等进行电子电路研究不可或缺的仪器设备。但是传统线性稳压反激電源纹波异常存在变压器转换效率低、稳压芯片压差大、滤波电路不够完善等缺点 时常出现输出纹波大、效率低、发热量大、间接地给系统增加热噪声等问题。在历年的电子设计竞赛中 作品在比赛场地测试正常， 但在指定测试场地测评时 电路突然烧毁或者性能指标达鈈到原先水平的现象时有发生， 一个重要的原因就是测评场地提供的稳压反激电源纹波异常电压波动大、供电电流不稳定、正负电压不匹配因此， 高稳定性、低纹波的稳压反激电源纹波异常是科研创新和电子设计竞赛不可或缺的保障

本设计由降压模块、整流滤波模块、線性稳压模块和低通滤波模块组成， 如图1 所示变压器将220 V/50 Hz 交流电分别降压到±16 V、±6 V、+6 V， 通过整流桥堆整流以及大容量电容滤波后 进入正( 負) 线性稳压模块， 再经过低通滤波模块滤除直流以外的干扰信号 分别输出±15 V、±5 V、+5 V 的稳定电压。

整流滤波电路主要由整流桥堆和大容量濾波电容组成 如图2 所示。整流桥堆具有体积小巧、输出电流大、安装方便等优势 并能代替由4 只二极管组成的传统桥式整流电路。滤波電路采用大容量电解电容滤波增加了输出电压的稳定性。根据式(1) 可求出所需滤波电容容量