第三部分:输出电压纹波的抑制 由以上分析可知,输出电压纹波由电感纹波电流和输出电容阻抗决定(式1)。
因此,要降低输出电压纹波可以通过降低电感电流纹波或者降低输出电容阻抗。 当输入输出电压和负载一定时,电感电流的纹波跟开关频率和电感量成反比。增加电感量或者开关频率可以有效降低输出电压的纹波,但开关频率和电感往往受到电路效率和体积等的限制。 当开关频率和电感值一定时, 抑制纹波电压最有效的方式是减小输出电容在开关频率处的输出阻抗。在实际应用场景中,通常会并联多种不同的输出电容来获得足够的容量并降低输出电压纹波,如图6所示。由式(2)-(5)可以计算得到输出电容的总阻抗以及等效的电阻和电容。若已知Buck电路的开关频率,通过式(3)可得到开关频率处的阻抗,也就可以得到输出电压纹波。但是,当输出电容数量较多时,计算会变得很复杂。简单有效的方式可以借助Excel 工具,如图6所示。 图6. 多个输出电容并联
图7. 输出电压纹波计算工具 若选择合适的电容仍然无法满足纹波的要求,可以增加第二级LC 滤波器来进一步降低输出电压纹波, 如图8所示。 图8. Buck 电路第二级LC滤波器 第二级LC滤波器提供额外的增益衰减,但同时高品质因素Q值也会导致相位裕度降低,甚至导致环路稳定性问题,如图9所示。为保证环路稳定,可以在L2两端增加damp电阻,降低Q值。图10以TI电源模块LMZ23601为例 (Vin = 24V, Vout = 5V, Fsw = 750kHz, Iout = 1A),在输出端增加160nH 电感, 3X22uF 电容, 250mΩ damp电阻,输出电压纹波<1mV。
图9. Buck两级滤波波特图 图11. LMZ23601 两级滤波输出电压纹波 综上所述,理解输出电压纹波的形成原理,根据实际应用要求,针对性地优化电感值、开关频率以及输出电容,可有效降低输出电压纹波,满足应用需求。
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