ZHCADZ2A July 2019 – April 2024 TPS568230

3 输出纹波

降压转换器具有固有的开关操作，该操作会导致电路中的电流和电压波动。输出电压还会在稳压稳态直流值之上产生纹波。电源系统的设计人员将输出电压纹波视为设计注意事项的关键参数。本节简要介绍了输出电压纹波的公式并分析了与开关频率的关系。

同步 MOSFET 的开关操作会导致电感器中的电流出现三角波形。电感电流的直流分量流经输出负载，电感电流的交流分量流经输出电容，如图 3-1 所示。流经电容器的时变电流会导致电容器上的电压发生波动[3]。

图 3-1 降压转换器中的电流

D-CAP3 模式控制技术支持使用具有低 ESR 的陶瓷输出电容器。降压开关稳压器的输出纹波电压 应用报告 (SLVA630) 提供了一个准确且易于实现的公式，用于计算低 ESR 条件下的输出电压纹波。在轻负载条件下，转换器采用功率跳跃模式 (PSM) 运行，并且输出电压纹波取决于输出电容值和电感值。使用较大的输出电容值和电感值可尽可能地减小 PSM 模式下的电压纹波。在重负载条件下，器件以 PWM 模式运行。由于陶瓷电容器具有极低的 ESR 和相对较小的电容，因此总输出电压纹波是输出电容器 ESR 导致的电压尖峰与输出电容器充放电导致的电压纹波之和：

方程式 5.

V_{r i p p l e} = \frac{I_{r i p p l e}}{8 C f_{s w}} + \frac{I_{r i p p l e} R^{2} C}{2} \times \frac{f_{s w}}{D (1 - D)}

需要注意：

方程式 6.

I_{r i p p l e} = V_{o u t} \times \frac{1 - D}{L \times f_{s w}}

其中

I_ripple 为电感电流纹波
C 为输出电容器的电容值
R 为输出电容器的等效串联电阻 (ESR)
D 为开关的占空比
V_out 为输出电压

为了快速计算，这里使用了一个更简单的输出电压纹波模型。总输出纹波是仅由电容器引起的电压纹波和仅由电阻器引起的电压纹波的线性总和：

方程式 7.

V_{r i p p l e} = \frac{I_{r i p p l e}}{8 C f_{s w}} + I_{r i p p l e} R

方程式 6 和方程式 7 表明总输出纹波主要受占空比、输出电容器和电感器的影响。另一个重要因素是开关频率。提高频率对于减少输出电压纹波非常有用。根据表 2-1 中的参数，图 3-2 和图 3-3 显示了 8A 负载条件下的纹波测试结果。在 600kHz 下，纹波为 11mV，而在 1000kHz 下则为 10mV。尽管使用电感和电容较小的输出功率级 (LC) 会增加开关频率，但纹波也会变小。

图 3-2 输出电压纹波，F_SW = 600kHz

图 3-3 输出电压纹波，F_SW = 1000kHz