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BUCK電路輸入電容ESR紋波電壓的5大表達式之謎 ——從ΔI*ESR到(Iout+ΔI/2)*ESR的深度解析

降壓電路BUCK輸入電容上的紋波電壓表達式們哪個是對的?

如上所述,在上篇中,我們總結了在不同的資料中,BUCK電路輸入端電容ESR紋波電壓分量有不同的表達形式,如ΔI*ESR、Iout*ESR、(Iout+ΔI/2)*ESR、(1-D)*Iout*ESR 和 D*Iout*ESR 這五種。

本篇,我們將按照從小到大的順序( ΔI*ESR < D*Iout*ESR < (1-D)*Iout*ESR < Iout*ESR < (Iout+ΔI/2)*ESR ),來分析這些表達式是如何得到的,以及它們之間的區別。

圖1 CCM模式下輸入電容上的瞬時電流波形

01. ΔI*ESR

由歐姆定律可知,電阻與電流的乘積就是電壓。所以,輸入電容ESR與電流參數的乘積就是“輸入電容ESR紋波電壓分量”。

如圖1所示,TON時間內輸入電容瞬時電流最小值 (1-D)*Iout-?I/2 與最大值 (1-D)*Iout+?I/2 之間的差值剛好是電感紋波電流ΔI。基于這點,輸入電容ESR紋波電壓分量可以表示為

?Vcin,esr=?I*ESR            (1)

說明:與圖1中不同,這里以及下文,我們直接使用ΔI表示電感紋波電流。

02. D*Iout*ESR

如圖1所示,輸入電容在TOFF期間內的電流變化量為 D*Iout ,所以TOFF期間輸入電容ESR紋波電壓分量表示為

?Vcin,esr=D*Iout*ESR            (2)

03. (1-D)*Iout*ESR

如圖1所示,輸入電容在TON期間內的電流變化量為 (1-D)*Iout ,所以TON期間輸入電容ESR紋波電壓分量表示為

?Vcin,esr=(1-D)*Iout*ESR            (3)

04. Iout*ESR

如圖1所示,在不考慮TON期間的紋波電流分量的情況下,輸入電容瞬時電流為矩形波(分段函數),輸入電容在TON導通階段的電流為 (1-D)*Iout ,在TOFF關斷階段的電流為D*Iout(不考慮電流方向)或者-D*Iout(考慮電流方向,且流出電容為負)。

所以,在整個TSW開關周期內,輸入電容上電流的變化量為(1-D)*Iout + D*Iout = Iout,或者(1-D)*Iout - (-D*Iout) = Iout。因此,輸入電容ESR紋波電壓分量表示為

?Vcin,esr=Iout*ESR            (4)

05. (Iout+ΔI/2)*ESR

如圖1所示,在整個TSW周期內,輸入電容上電流變化量的最大值,發生在“TON切換到TOFF”這個階段,這個電流變化量最大值為 (D*Iout) + (1-D)*Iout + ?I/2 = Iout+?I/2,所以,輸入電容ESR紋波電壓分量表示為

?Vcin,esr=(Iout+?I/2)*ESR            (5)

06. 分析總結

  ΔI  D*IoutIoutIoutIout+ΔI/2 ESR ΔI*ESR 

ΔI*ESR TONTswESRTsw

 D*Iout*ESRTOFFD*IoutESR

 (1-D)*Iout*ESRTON(1-D)*IoutESR

 Iout*ESR TON(1-D)*IoutTOFF-D*IoutTsw (1-D)*Iout - (-D*Iout) = IoutIoutESRIout*ESR

 CCMTswΔI

 ?I TONTswTsw D*IoutTON (1-D)*Iout+ΔI/2Tsw( (1-D)*Iout+ΔI/2 )  ( -D*Iout ) = Iout+ΔI/2  Iout+ΔI/2 ESR (Iout+ΔI/2)*ESR

(Iout+ΔI/2)*ESRESR使

(Iout+ΔI/2)*ESRCIN

ΔVin,ripple = ( (0.25*Iout) / (Cin*Fsw) ) + (Iout+ΔI/2)*ESR (6)

那么,反向計算得到輸入端所需電容量最小值計算公式就是

Cin,min = (0.25*Iout) / [ ΔVin,ripple - (Iout+ΔI/2)*ESR ] (7)

另外,五種紋波電壓分量從小到大依次是 ΔI*ESR < D*Iout*ESR < (1-D)*Iout*ESR < Iout*ESR < (Iout+ΔI/2)*ESR 。

需要說明的是,這里 D*Iout*ESR 與 (1-D)*Iout*ESR 的大小關系依賴于占空比D,當D<0.5時, D*Iout*ESR < (1-D)*Iout*ESR;當D>0.5時,D*Iout*ESR > (1-D)*Iout*ESR。

綜上所述,不同的資料中輸入電容ESR紋波電壓分量的表達式不同,是因為它們選擇的“電流變化量”這個參數不同,最終它們都是“歐姆定律 U = I * R”的體現。

所謂“萬變不離其宗”,這些不同的輸入電容ESR紋波電壓分量的表達式就是“萬變”,而歐姆定律才是“宗”。

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