Buck电路输出电压纹波超标,如何解决?
上周发的关于《纯干货!DC-DC的电感计算公式推导过程!》,阅读量、分量率和收藏率通通翻倍哈
,说明大家对这个比较感兴趣。文章中涉及的知识点比较多,受制于篇幅的限制,讲的有些浅。今天围绕电感计算公式的应用,再延伸一下。下图为Buck电路的SW与输出电压纹波ΔVout的波形图。
![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1683847801255_dxsdp2.jpg?imageView2/0)
照例,先抛出来一道面试题“Buck电路的输出电压纹波ΔVout超标,如何解决?”。这道题,出去找过几次工作的小伙伴应该懂的,这个问题的中标率其实很高。因为这个问题看似简单,但贴近实际应用,同时又能体现答题者的基本功,颇受面试官喜爱。
众所周知,DC-DC电路在输出电压时,其内部的开关管(MOS管)在不停地导通和关断。在这个导通和关断的过程中,电能从输入端传输到输出端。而电容C在此过程中,作为储能器件,不断的进行充电和放电。每次的充放电都会造成电压的波动,这个波动频率与电源的开关频率fsw是一致的。文章开头的图片也可以证明这一点。这个波动就是前面所说的“输出电压纹波”,它是叠加在输出电压直流分量上的交流分量。
说到这里,不晓得你能否想到输出电压纹波都与DC-DC的哪些因素相关。给自己30秒,先思考下再往下看。
增加输出端的电容,增大LC滤波,以减小电压纹波。
二火点评
该答案太过简单,并没有提及核心逻辑,且没有相关知识点展开。该答案只能给30分。
① 增加输出端的滤波电容,尤其是ESR小的电容,降低输出端并联后的电容ESR,可以降低电压纹波;
② 更换感值更大的电感;
③ 在FB端的上采样电阻上并联pf级电容,增强DC-DC的动态响应,有助于减小电源纹波;
该答案既谈到降低电容的ESR,又提到增大电感。同时还说明了前馈电容,增强动态响应,说明答题者对纹波电压的影响因素有一定的了解。可以给60分。
扩展说明:
1)输出电容的ESR与输出电压纹波ΔVout呈正比。
根据第2部分的描述,纹波是电容充放电过程中产生的电压波动。由于电感纹波电流的存在,越小的ESR,所对应产生的纹波电压就越小。输出电压的纹波与电感纹波电流ΔI之间存在复杂计算关系,这里不做展开。只需要了解它们是正比关系即可。
![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1683847800472_heip3h.jpg?imageView2/0)
可得电感纹波电流ΔI:
![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1683847798920_g9r9d0.jpg?imageView2/0)
由此可以看出,电感纹波电流ΔI与电感感值L呈反比,而纹波电流与纹波电压呈正比,因此纹波电压与电感感值L呈反比。所以增大电感,可以减小纹波电压。4)增加前馈电容,增强DC-DC的动态响应,有益于降低纹波。
如下图所示,矽力杰的SY8893,Cff即为前馈电容,Datasheet中有描述增加22pf电容,可以有助于环路稳定性和系统的动态相应,可加速负载调整相应速度。
说明下,这部分属于个人理解,笔者暂时没有找到相关的计算推理来证明两者间的关系。所以只说有益于降低纹波。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1683847800872_h3b656.jpg?imageView2/0)
![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1683847801766_ht44rr.jpg?imageView2/0)
④ 增大开关频率fsw,可以降低纹波电流,进而降低纹波电压;
⑤ 保持Vout不变,调高Vin,使得D减小,则可降低纹波电压。
该答案分别从电容ESR,电感L、动态响应、开关频率fsw、占空比D等五个维度分析纹波电压的影响因素,并明确了影响方向。说明答题者对纹波的影响因素比较了解。该答案可以给80分。
扩展说明:
1)开关频率fsw与输出电压纹波ΔVout呈反比。
2)Buck电路的占空比D与输出电压纹波ΔVout呈反比。
上述两个关系,可通过伏秒定律以及Buck的传递函数得出:
![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1683847799660_74hc9i.jpg?imageView2/0)
由此可以看出,电感纹波电流ΔI与fsw、D呈反比,所以纹波电压ΔVout与fsw、D呈反比。
总结下,Buck电路的输出电压纹波ΔVout跟哪些因素有关,影响趋势是怎样的?
(3)电感感值L与ΔVout呈反比。
(4)开关频率fsw与ΔVout呈反比。
(5)Buck电路的占空比D与ΔVout呈反比。
(6)DC-DC的动态响应与ΔVout呈正比。
那就是减小ESR,增大L/fsw/D!(这样是不是简单明了!!!)你要问为什么没有90分的答案,因为笔者觉得即便是答案3,依然不完美,还没有达到90分的水平。如果你有更好的意见,欢迎评论区补充。
以上所述,部分内容涉及个人理解,如有觉得不妥,欢迎留言讨论。
怎么样?一个简短的问题,给出的回答可浅可深,就看你对这个知识点的理解达到怎样的程度。你学废了么?
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