DCDC和LDO原理和关键技术（学习笔记1-buck电路）

最新推荐文章于 2025-04-28 14:03:41 发布

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分类专栏：模电开关电源

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本文是电源电路学习笔记，介绍了纹波和噪声的区别及噪声产生原因。以buck电路为例，分析了纹波电流、电感、电容等对电源纹波的影响，还介绍了buck电路中二极管的三种状态。最后给出开关电源纹波抑制的多种方法，如加大电感和电容、二级滤波等。

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本文作为电源电路的学习笔记
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讲之前先讲一下纹波和噪声的区别
直流电源输出上叠加的与电源开关频率同频的波动为纹波，高频杂音为噪声。如下图所示，频率较低且有规律的波动为纹波，尖峰部分为噪声。
噪声产生的原因： 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。
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一、buck电路

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ti的仿真软件tina进行仿真，用时间开关代替mos管，设置开关周期1mhz，占空比百分之60，rcs是电容串联等效电阻=100moh，二极管肖特基二极管
检测点VF1.如果二极管导通VF1 为0v，如果mos管导通为10v，也就是说如果VF1是完美的方波，表示电感电流是连续的。
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图中可以看出输出的纹波电压较大，是纹波电流引起的，在输出电容上造成的电压

电感两端的电压的相关计算公式：U=L*di/dt。L是电感量，di/dt代表电流对时间的导数，可以理解为电流变化的快慢。电流变化的越快，自感电压越大。电感值越大，自感电压越大。
在dc/dc电路中。也就是电感两端的自感电压固定时，电感量越大，电流变化率越小，电压纹波越小。

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由此可以看出纹波电流的下降上升的斜率是常数。

修改电容串联电阻输出的纹波电压，可以看出滤波电容的效果与电容的RCS直接相关。电感上的波动电流不仅仅对电容充放电形成了波动，rcs的等效电阻直接形成了压降。所以rcs越小，滤波效果更好。
所以我们在电容选型的时候，注意
同种类的电容，电容越大，esr越小。
同容量的钽电解电容，esr小于铝解电容。
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当开关管和二极管都不导通的时候，vf等于u0.
开关频率也会影响电源纹波的峰值。开关频率变低的时候，以固定斜率的纹波电流充电，充放电时间越长，纹波电压的峰值越大。电感电流断续的时候输出电压会变高
这种情况可以增加电感的大小保持电流连续。
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DC/DC基本计算公式就是根据电感在导通和关断的时候电流变化量相等。也就是伏秒平衡原则：
在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。

buck电路中二极管的三种状态，连续电流，临界电流还有不连续电流。
1.CCM (Continuous Conduction Mode),连续导通模式：在一个开关周期内，电感电流从不会到0。或者说电感从不“复位”，意味着在开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。
直流成分更容易饱和，效率低，纹波小。
2.DCM，(Discontinuous Conduction Mode)，断续导通模式：在开关周期内，电感电流总会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。电容供电，纹波大效率高。

3.BCM（Boundary Conduction Mode），临界导通模式：控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于0，功率开关立即闭合。控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高，而截至斜坡相当平，则开关周期延长，因此，BCM变化器是可变频率系统。

综上，开关电源纹波抑制的方法，有三种：
1.加大电感和输出电容
通常电容越大，esr越小。但是电解电容抑制高频噪声的效果不好，所以会并联一个陶瓷电容。
开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以BucK型为例，是SWITcH附近)，并联电容来提供电流。
　上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。
2、二级滤波，就是再加一级LC滤波器LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。
3、开关电源输出之后，接LDO滤波
　　这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB曲线.
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对减小纹波。开关电源的PCB布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C或RC，或串联电感。
　4、在二极管上并电容C或RC
　　二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻一般取10Ω-100 Ω，电容取4.7pF-2.2nF。在二极管上并联的电容C或者RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。
　　对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。
　5、二极管后接电感（EMI滤波）
　　这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。比较简单的做法，不再详细解释
二、boost电路
三、buck/boost电路
四、单管反激电路（Flyback<75w）
五、单管正激电路
PF(功率因素)
PFC(功率因素校正)