一、直流—直流变换电路概述 1、直流—直流变换电路及功能 直流-直流(DC-DC)变换电路是将一组电

I L
uo (t2 t1) L
iC
iL
io
iL
Baidu Nhomakorabea
uo R
（io恒定，iC与iL同斜率）
二、降压式变换电路（Buck电路）
4.电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系
从等效电路模型的分析可以知道，电容上输出电压uo(t)就是us(t)
的直流分量再附加微小纹波 uripple(t) ，且 uripple max U0 ，晶体管导
三、DC-DC的纹波和噪音
2. 平行线测量装置
平行线测量装置如图下所示。图 中，C1 是多层陶瓷电容（MLCC），容 量为1μF，C2 是钽电解电容，容量是10μF。两条平行铜箔带的电压降 之和小于输出电压值的2%。该测量方法的优点是与实际工作环境比较接 近，缺点是较容易捡拾EMI 干扰。
三、DC-DC的纹波和噪音
开关关断时等效电路
二、降压式变换电路（Buck电路）
2.等效的电路模型及基本规律
1S
iL (t)
L
2
uL (t) iC (t)
Ud
us (t)
C
R uo (t)
（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤
波器设计 的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的 直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。
开关接通的占空比定义为D，D ton / TS 其中ton 为开关导通时间，TS为开关周期。 （2）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM） ❖ 所谓脉冲宽度调制的方法是一种在整个工作过程中，开关 频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法。 ❖ 所谓脉冲频率调制的方法是一种在整个工作过程中，开关 接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。
一、直流—直流变换电路概述
1、直流—直流变换电路及功能 直流－直流（DC－DC）变换电路是将一组电参数的直
流电能变换为另一组电参数的直流电能的电路。 · 直流电幅值变换 · 直流电极性变换 · 直流电路阻抗变换 · 有源滤波
以下详细介绍降压式变换电路（Buck电路）
一、直流—直流变换电路概述
2、基本概念 （1）占空比的定义：
二、降压式变换电路（Buck电路）
b、 二极管VD导通模式（t1 t t2=T ） 晶体管关断，电感续流，二极管导通，依据电路等效拓扑
有：
uL
uo
L
diL dt
uVT Ud
同样，由于uo视为维持不变，则输出电流线性减小，波形
如图4-2，有：
uo
L diL dt
L I L t2 t1
iVT 0
通时 us (t) Ud ，晶体管关断时 us (t) 0，则us(t) 的直流分量为：
Uo
ton T
Ud
toff T
0
DUd
忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：
U d Iin U o Io
Iin DI o
其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流，D为 占空比 ，Ud为输入直流电压，Uo 输出直流电压
二、降压式变换电路（Buck电路）
5.电感电流连续工作模式（CCM）下电感电流和输出电 压脉动分析
考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过程电流
波动值相等，依据前面的分析，晶体管导通时有：
I L
(U d
L
U
o
)
t1
Ud (1 D) L
DT
(1
D)DU d fL
考虑到输出电压脉动很小，有 iL iC，且有一周期内电容充 放电平衡，根据图4-2中ic波形，Q的时间为T/2，则电容纹波峰峰
（2）最小输出电流与 I L 的关系，见图中波形，由于电感电流连
续，有
1 I 2
I o min ，计算L的关系式。
（3）由输入输出电压关系，计算D
（4）由 I LMAX I VTMAX 求得MOS管的最大电流，同时依据波形计算
电流有效值，依此选择MOS管的电流。 （5）MOS管的最高工作电压为输入电压，依此选择MOS管的耐压。
Io
1 2
I
不连续导通模式时
二、 降压式变换电路（Buck电路）
思考
已知：输入电压12V，输出电压5V，输出纹 波50 mV，输出电流最大3A，最小100mA，要求 电路工作于电流连续状态，如何设计电路参数？
二、降压式变换电路（Buck电路）
设计方法考虑：
（1）由 U 0 U C，计算LC 的关系
。 程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB 的设计有关
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
利用示波器可以看到纹波和噪声的波形，如图所示。纹波的频率与开关 管频率相同，而噪声的频率是开关管的两倍。纹波电压的峰峰值和噪声 电压的峰峰值之和就是纹波和噪声电压，其单位是mVp-p。
纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是 一个十分重要问题。目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测 量的方法，它能精准地测出纹波和噪声电压值。
uL
Ud
Uo
L
diL dt
uVT 0
由于电路工作频率很高，一个周期内ud 和 uo基本维持不
变，可以视为恒定值，则（ud- uo）为常数，电流变化为线性，
波形如图4-2，有：
uL
Ud
Uo
L
I2 I1 t
L
I L DT
I L
(U d
Uo) L
t1
iVT iL
iC
iL
io
iL
uo R
（io恒定，iC与iL同斜率）
为满足第2 点，负载应采用阻性假负载。
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
在测量纹波和噪声这一性能指标时，经常有这样的情况发生 ，发现与产品技术规格上的指标不符，大大地超过技术规格 上的性能指标要求，这往往是用户的测量装置不合适，测量 的方法（测量点的选择）不合适或采用通用的测量探头所致 。
● 要防止环境的电磁场干扰（EMI）侵入，使输出的噪声电压不受EMI 的影 响；
● 要防止负载电路中可能产生的EMI 干扰； ●对小型开关型模块电源，由于内部无输出电容或输出电容较小，所以在测
量时要加上适当的输出电容。
为满足第1 条要求，测量连线应尽量短，并采用双绞线（消除共模噪声 干扰）或同轴电缆；一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头； 并且测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量 误差。
三、DC-DC的纹波和噪音
4. 同轴电缆测量装置
这里介绍两种同轴电缆测量装置。下图是在被测电源的输出端接R、C 电路后经输入同轴电缆（50Ω）后接示波器的AC 输入端；下图是同轴 电缆直接接电源输出端，在同轴电缆的两端串接1 个0.68μF 陶瓷电容 及1 个47Ω/1w碳膜电阻后接入示波器。T 形BNC 连接器和电容电阻的 连接如图下图所示。
二、降压式变换电路（Buck电路）
（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上
输出的直流电压Uo有： uripple max Uo 电容
上电压宏观上可以看作恒定。
电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大 的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关 电路稳态分析中的小纹波近似原理。
3. 专用示波器探头
下图所示为一种专用示波器探头直接与波测电源靠接。专用示波器探头 上有个地线环，其探头的尖端接触电源输出正极，地线环接触电源的负 极（GND），接触要可靠。
三、DC-DC的纹波和噪音
这里顺便提出，不能采用示波器的通用探头，因为通用示波器探头的地 线不屏蔽且较长，容易捡拾外界电磁场的干扰，造成较大的噪声输出， 虚线面积越大，受干扰的影响越大，如下图所示。
二、降压式变换电路（Buck电路）
1.BUCK电路基本结构
Ud
D
iL (t) L
uL (t)
iC (t)
Ud
C
R uo (t)
开关导通时等效电路
iL (t) L
uL (t)
iD (t)
C
R uo (t)
基本电路结构
L
uL (t)
Ud
iL (t)
C
iC (t)
R uo (t)
这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态 工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡， 这是电路稳态工作时的一个普遍规律。
二、降压式变换电路（Buck电路）
（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S 置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于 电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：
三、DC-DC的纹波和噪音
不正确与正确测量的比较
下图是用AAT1121 芯片组成的降压式DC/DC 转换器电路及测量正确和不正确 的波形图。若采用普通的示波器探头来测量，由于地线与探头组成的回路面积太 大（由剖面线组成的面积），它相当于一根“天线”，极易受到EMI 的干扰，其 输出的纹波和噪声电压相当大（见图中右面的示波器波形图中绿色的纹波和噪声 波形）。若采用专用的测量探头（如图 所示），它的地线极短，探头与地线组 成回路面积较小，受到EMI干扰极小，其输出纹波和噪声波形如图右面的红色线 所示。这例子说明一般通用示波器的探头是不能用的。
Ψ L(i) 0
此增量将产生一个平均感应电势： u Ψ 0 T
此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的 下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一 个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。
这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平 均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。
这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。
二、降压式变换电路（Buck电路）
3.电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析
BUCK电路 结构
开
开
关
关
导
关
通
断
时
时
等
等
效
效
电
电
路
路
二、降压式变换电路（Buck电路）
a、 晶体管导通状态（t0 t t1=DT）
VD关断，依据等效电路拓扑，有：
三、DC-DC的纹波和噪音
几种测量装置
1. 双绞线测量装置
双绞线测量装置如图3 所示。采用300mm（12 英寸）长、#16AWG 线规组成的双绞线与被测开关电源的+OUT 及-OUT连接，在+OUT 与OUT 之间接上阻性假负载。在双绞线末端接一个4TμF 电解电容（钽电 容）后输入带宽为50MHz（有的企业标准为20MHz）的示波器。在测 量点连接时，一端要接在+OUT 上，另一端接到地平面端。这里要注意 的是，双绞线接地线的末端要尽量的短，夹在探头的地线环上。
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声产生的原因
开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波 和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有 关。每一个开、关过程，电能从输入端被“泵到”输出端，形成一个充 电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关的频率相 同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的 输入电容和输出电容的容量及品质有关。
值为（充放电波形如图4－3）：
Q
1 2
1 2
I L
1T 2
I L 8f
U c
2u
Q C
Ud D(1 D) 8LCf 2
二、 降压式变换电路（Buck电路）
电容充放电波形
二、 降压式变换电路（Buck电路）
六、电感电流断续工作模式（DCM模式）简介
对于CCM状态
Io
1 2
I
临界连续导通模式时
对于DCM状态
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图所示。它由被测开关电源、 负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电 阻等元件。
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
从上图来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同 。测纹波和噪声电压的要求如下：
噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的；另一种是外界电 磁场的干扰（EMI），它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入 开关电源。开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开 关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串 的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大
三、降压式变换电路（Buck电路）
（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升 高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电 容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平 衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷 高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电 荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至 达到充放电平衡，最终维持电压不变。