1. 简介
前文 [BUCK电路输入纹波电压有哪些组成部分?] 分析了BUCK电路输入端的纹波电压(简称“输入纹波电压”,Input Ripple Voltage)由三个部分组成,即
1) 输入电容ESL纹波电压或输入端感性纹波电压
2) 输入电容ESR纹波电压或输入端阻性纹波电压
3) 输入电容CIN纹波电压或输入端容性纹波电压
BUCK电路的“输入纹波电压”
本文,我们分析“输入端容性纹波电压”公式及其推导过程。
参考公式(1.9)(∆Q=C×∆V=I×∆T),在降压电路的输入电容或输出电容上,在电容量 C 和电容器上流入或流出的电流平均值 I 不变时,该电容器在 ∆T 时间内的电压变化量 ∆V 为
这里的“电压变化量 ∆V ”,相对于直流输入电压或直流输出电压来说,其实就是纹波电压分量,就是由于电容器的电容量 C 被充电或放电而导致的纹波电压电压分量。I×∆T 是“安秒积”或者电容上对应的电荷变化量。
2. 基于TON导通阶段推导出输入电容CIN纹波电压的表达式
图 3.27 输入电容在TON期间放电
参考“3.3.10 输入电容的瞬时电流、平均电流和有效电流”章节,我们由输入电容上的瞬时电流函数,通过积分得到了TON导通时间内输入电容释放的电荷量,即公式(3.266)。
进而得到了TON导通时间内输入电容上的电流平均值为 (1-D) × I_OUT ,即公式(3.269)。
又知TON导通时间为 T_ON = D × T_SW = D / F_SW ,根据公式(3.166)容易得到输入电容CIN纹波电压的表达式为
其中,D 是降压电路在CCM模式下的占空比[无量纲],I_OUT 是负载电流[A],F_SW 是开关频率[Hz],C_IN 是输入电容的电容量[F]。
3. 基于TOFF关断阶段推导出输入电容CIN纹波电压的表达式
图 3.28 输入电容在TOFF期间充电
参考“3.3.10 输入电容的瞬时电流、平均电流和有效电流”章节,我们由输入电容上的瞬时电流函数,通过积分得到了TOFF关断时间内输入电容释放的电荷量,即公式(3.267)。
进而得到了TOFF关断时间内输入电容上的电流平均值为 D × I_OUT (这里不考虑电流的方向),即公式(3.270)。
又知TOFF关断时间为 T_OFF = (1-D) × T_SW = (1-D) / F_SW ,根据公式(3.166)容易得到输入电容CIN纹波电压的表达式为
其中,D 是降压电路在CCM模式下的占空比[无量纲],I_OUT 是负载电流[A],F_SW 是开关频率[Hz],C_IN 是输入电容的电容量[F]。
4. 小结
可见,无论是基于TON导通阶段的电流和时间参数,还是基于TOFF关断阶段的电流和时间参数,得到的由输入电容CIN充放电导致的纹波电压分量计算公式(3.167)和(3.168)具有完全相同的表达形式。
为什么呢?因为 “电荷守恒”或“安秒平衡”,即
∆Q_(CIN,TON) = ∆Q_(CIN,TOFF) 或
I_(CIN,TON) × T_ON = I_(CIN,TOFF) × T_OFF
所以,基于这些关系式得到的输入电容CIN纹波电压必然具有相同的表达形式。“电荷守恒”是“宗”,公式(3.167)和(3.168)是“万变”。
TIPS(小贴士):
如果输入电容在TON导通阶段的减量不等于在TOFF关断阶段的增量,每周期都有一个净减量或净增量,那么消失的电荷会导致输入电压越来越低,或者多出来的电荷会导致输入电压越来越高,这与实际是不符的。
降压电路在CCM稳态条件下,输入电压、输入电流、输出电压和输出电流(假设在负载为定值功率电阻的情况下)这四个参数都应该是恒定的。
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