***关注“电源先生”,解析开关电源***
01 / 背景简述 /
我们知道,纹波电流和纹波电压都是开关电源电路的“副产品”,在电路设计中只能尽量减小,是“设计质量与产品成本的权衡取舍”,而无法消除纹波电流和纹波电压。当然,某些COT架构的转换器电路除外,因为它们的输出端需要一定量的电压纹波来保证正常工作。
此文,针对BUCK电路输出端纹波电压表达式,我们分析给出其线性模型。
02 / 三个分量 /
前文[ BUCK电路输出端的ESL感性纹波电压 ] [ BUCK电路输出端的ESR阻性纹波电压 ] [ BUCK电路输出端的COUT容性纹波电压 ]中,已经分别推导出了ESL、ESR、COUT三个参数引起的输出纹波电压分量,如下所示:
03 / 线性模型 /
参考前述公式(3.190)(3.192)(3.193)可知,如果将这三个分量直接相加,BUCK电路输出端总的纹波电压可以表示如下:
这就是BUCK电路输出纹波电压的线性模型(Linear Model)。其思想是,简单认为总的纹波电压等于ESL纹波电压、ESR纹波电压与COUT纹波电压三个分量之和。
因为输出电容ESL纹波电压 ∆V_(COUT,ESL) 较小,通常可以忽略。所以,上述输出纹波电压公式可以简化为
将 ∆V_(COUT,ESR) 和 ∆V_(COUT,C) 的计算公式(3.192)和(3.193)代入上述公式,可得:
其中,C_OUT 是输出电容[F],ESR_COUT 是输出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 是降压电路的占空比[无量纲]。
这就是各种资料中常见的BUCK电路输出纹波电压线性模型的计算公式,如NCP3011-D规格书、LMR10515规格书:
图3.41 NCP3011-D、LMR10515规格书
这里需要说明的是:
① 公式(3.208)是BUCK电路工作在CCM模式下的输出纹波电压表达式;DCM模式下的输出纹波电压表达式与此不同。
② 即使忽略输出电容ESL纹波电压分量,BUCK电路总输出纹波电压,与ESR纹波电压分量、COUT纹波电压二者之和也并不相等,因为这二者纹波电压分量在相位上是不同步的。然而,公式(3.208)这个线性模型的优点是,在工程应用的计算中,比较简单。
04 / 小结 /
此文,分析了BUCK电路输出纹波电压大小的评估方法,线性模型(即公式(3.208)),是最简单的用于在设计阶段评估BUCK电路输出端纹波电压大小的方法。