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6165金沙总站定制开关电源:开关电源纹波的计算和仿

来源:6165金沙总站-金沙澳门总站官网科技有      发布时间:2014-11-28     
开关电 源因其电压转换效率高,体积小而广泛应用于各种场合。关于开关电源原理和应用的专著也非常丰富,但是少有详细介绍开关电源输出电压纹波产生的机理和计算方 法的文章和专著;即便有,其分析也略有欠缺,甚至存在一定的误区,以致不能清晰的反应其原理,让读者不能直观的了解其形成过程。然而开关电源的输出电压纹 波这个参数,直接反应了一个开关电源的设计是否能够满足应用需求,因此在应用过程中是一个极为重要的参数。同时,由于开关电源的输出电压纹波包含了多个部 分,主要为稳态纹波,动态纹波和噪声,每个部分都有不同的特点。如果不能清除的认识各个部分产生的机理及其影响,电路设计工程师就无法对电源的输出特性进 行优化。所以本文首先以较常用的典型同步降压型开关电源为例,详细介绍了开关电源在稳态输出时的电压纹波产生的机理和估算方法,并且综合intersil 公司提供的免费离线仿真工具iSimPE,提供了一套快速得出电源输出电压纹波的方法,以供电源设计者参考和运用。
 
开关电源稳态输出电压纹波产生的原理及其计算
降压型开关电源的工作原理是通过高频的开关将输入直流电压斩波,然后通过LC滤波器将斩波后的电压过滤和平均,从而得到一个较低的输出电压。图1为同步降压型开关电源的功率回路结构图。
 
图1降压型开关电源结构图

 
在 开关S1闭合时,输入电压通过电感L1传输到输出,此时开关S2断开;在开关S1关闭后,开关S2闭合,电感L1通过开关S2进行续流。开关S1和S2在 恒定的开关频率下周期性的开关,就可以得到一个稳定的输出电压,输出电压的大小又开关S1在开关周期中占的比例决定,而这个比例通常被称作占空比,以符号 D表示。这个工作过程中各个器件的电流和关键点的电压波形如图2所示。
 
图2降压型开关电源各个节点的电压电流波形
 

图2分别是输入电压Vin,开关S1和S2交点VPhase,输出电压VO,开关S1上的电流IS1,开关S2上的电流IS2,以及电感L1上的电流波形图。
从上图可以清楚的看出一个典型降压型开关电源的工作各个点的波6165金沙总站约捌涔ぷ髟怼:苊飨云渲惺涑龅缪筕O是开关点VPhase的平均值,而输出电流IO是电感电流IL1的平均值。由此就可以引出电感电流,以及输出电压的计算公式。
设定开关频率为FSW,开关S1导通所占的比例,即占空比为D,那么有:
VO=Vin×D                (1)
开关S1导通时,电感两端电压为Vin-VO,设定此时电感上的纹波电流为⊿IL,因此有:
Vin-VO=L1×⊿IL×FSW/D    (2)
由公式(1)(2)整理得到:
(3)
式 (3)就是电感L1上的纹波电流⊿IL的表达式。而纹波电流的存在就是纹波电压产生的根本原因。这是因为,对于一个稳定的输出负载电流IO来说,电感电流 中大于IO的部分和小于IO的部分都是需要由电容来进行吸收或提供的,这样输出电容在充电和放电的过程中就产生了电压波动,这个电压波动就是开关电源在稳 态工作时输出电压纹波产生的直接原因。
 
图3 电容充放电示意图

而 对于电容器,其最重要的两个参数为电容量C和其等效串联电阻ESR(见图4)。其中,电容量对纹波的影响,正是由电容的充放电所决定的。如图3所示,充电 和放电的电量是相等的,从而使得电容上面的电压平均值仍然保持不变。可以计算出在一个开关周期中充放电所导致的等效电容量C上的电压变化。

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