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BUCK电路减小输入纹波电压的方法

Hi 我是“余生死磕电源,致力于成为电源大师”的“电源先生”。

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1. 简介[  ] 中分析了BUCK电路输入纹波电压的表达式如下所示:
其中,C_IN 是输入电容[F],ESR_CIN 是输入电容的等效串联电阻参数[Ω],F_SW 是开关频率[Hz],I_OUT 是负载电流[A],D 是降压电路CCM模式下的占空比[无量纲]。此文,我们将基于上述公式(3.171),分析总结BUCK电路减小输入纹波电压的方法。

2. 减小输入纹波电压的方法基于输入纹波电压公式(3.171)可知:1)在D、 I_OUT 不变的情况下,∆V_CIN 与 ESR_CIN 成正比关系;
2)D、 I_OUT 不变的情况下,∆V_CIN 与 C_IN 成反比关系;
3)D、 I_OUT 不变的情况下,∆V_CIN 与 F_SW 成反比关系。所以,理论上,减小 ESR_CIN 、增大 C_IN 和 F_SW ,都可以减小BUCK电路输入纹波电压的大小。

如果输入端使用了大容量的电解电容(通常具有较大的ESR),可以并联ESR较小的陶瓷电容,以达到减小输入端整体ESR,从而减小输入纹波电压的目的。所以,实际上,增大输入端电容 C_IN 的容值和并联低ESR的陶瓷电容,就是通常用于减小输入纹波电压的两种方法。

这是因为:

① BUCK电路的占空比 D=Vout/Vin,在 Vout 不变的条件下,会随着输入电压 Vin 改变的;公式(3.171)中的 D*(1-D) 仅在 D=0.5 时取得最大值0.25,在 D 取其他值时,D*(1-D) 的大小是不固定的;

在降压电路设计完成或者已经工作之后,负载电流 I_OUT 的大小是由后端负载决定的。虽然实际降压电路中负载电流 I_OUT 的大小会影响输入纹波电压的大小,但是并不能期望通过减小负载电流 I_OUT 这个参数来降低输入纹波电压。以,才有上述“负载电流 I_OUT 不变”的假设。

③ 在降压电路设计完成或者已经工作在CCM模式下之后,开关频率 F_SW 这个参数也是固定的,无法通过增大 F_SW 的方法来减小输入纹波电压。

如果想通过增大 F_SW 减小输入纹波电压,则需要在电路设计时确认好环路响应等其他相关电路参数。但是,需要注意的是,开关频率这个参数是开关电源中“牵一发而动全身”的参数,在已经工作良好的电源电路的基础上,需要谨慎变更开关频率这个参数。


3. 小结此文,总结了实际应用中减小输入纹波电压的两种方法:增大输入端电容 C_IN 的容值、并联低ESR的陶瓷电容。另外,输入电容在 PCB Layout 方面最优的摆件方案是:所有输入电容尽量靠近输入电源引脚、从远到输入电源引脚的电容值依次是从大到小(也就是先过滤低频纹波,再过滤高频纹波)。
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