Как подавить пульсации в Buck-преобразователе
3 февраля 2026Пульсации источника питания, или ripple, представляют собой периодические колебания напряжения или тока в цепи питания. Такие колебания создают потенциальную угрозу для стабильной работы электрического оборудования. Избыточные пульсации могут снижать эффективность преобразования энергии, увеличивать тепловыделение и в тяжелых случаях приводить к нестабильности системы или даже повреждению микросхем. Поэтому при проектировании Buck-схем необходимо принимать меры по уменьшению пульсаций, чтобы обеспечить устойчивую работу системы.
Ниже приведены несколько распространенных методов уменьшения пульсаций в Buck-преобразователе:
Увеличение индуктивности и выходной емкости для фильтрации
Согласно формулам для импульсных источников питания, величина колебаний тока внутри индуктора обратно пропорциональна значению индуктивности, а выходные пульсации обратно пропорциональны величине выходной емкости. Поэтому увеличение индуктивности и выходной емкости позволяет уменьшить ripple.
Figure 1 Inductor current
На рисунке 1 показана форма тока внутри индуктора L в импульсном источнике питания. Пульсационный ток ΔI может быть рассчитан по следующей формуле. На основе баланса вольт-секунд и других параметров видно, что увеличение значения индуктивности L или повышение частоты переключения позволяет уменьшить колебания тока внутри индуктора. Аналогично, зависимость выходного ripple от выходной емкости описывается как: Vripple = Imax/(Co × fsw). Следовательно, увеличение выходной емкости также уменьшает ripple.
Обычно для выходного конденсатора используют алюминиевые электролитические конденсаторы, чтобы получить большую емкость. Однако электролитические конденсаторы не слишком эффективно подавляют высокочастотный шум, а их ESR сравнительно велик. Поэтому рядом с ними параллельно подключают керамический конденсатор, чтобы компенсировать недостатки алюминиевых электролитов.
Когда импульсный источник питания работает, входное напряжение Vin остается постоянным, но ток изменяется вместе с ключом. При запуске источника или резком изменении нагрузки необходим входной конденсатор как временный энергетический буфер, компенсирующий мгновенное проседание входного напряжения. Обычно возле входной токовой клеммы, то есть рядом с ключом в Buck-схеме, параллельно подключают конденсатор для отдачи тока. Входной конденсатор также подавляет ripple и электромагнитные помехи EMI от предыдущего источника питания.
После применения приведенного выше решения Buck-импульсный источник питания выглядит так, как показано на следующем рисунке:
Figure 2 BUCK topology
Приведенный подход имеет ограниченный эффект в снижении пульсаций. Из-за ограничений по размеру индуктивность нельзя делать слишком большой; увеличение выходной емкости после определенного уровня уже не дает заметного уменьшения ripple; а повышение частоты переключения увеличивает коммутационные потери.
Вторичная фильтрация с добавлением еще одного LC-фильтра
LC-фильтры эффективно подавляют шум и пульсации. При правильном подборе индуктивностей и конденсаторов для построения фильтра по частоте ripple, которую требуется удалить, уровень пульсаций обычно можно значительно снизить. Однако при этом необходимо учитывать точку отбора напряжения обратной связи для сравнения.
Figure 3
Если выбрать точку отбора до LC-фильтра (Pa), выходное напряжение уменьшится. Это связано с тем, что любой индуктор имеет сопротивление по постоянному току, и при протекании выходного тока на нем возникает падение напряжения, из-за чего напряжение на выходе источника питания снижается. Более того, это падение меняется вместе с выходным током. Если выбрать точку отбора после LC-фильтра (Pb), можно получить желаемое выходное напряжение. Однако в этом случае в систему питания вводятся дополнительный индуктор и конденсатор, что может повлиять на устойчивость петли.
Подключение LDO-фильтра после выхода Buck-преобразователя
Наиболее распространенной комбинацией является Buck+LDO, и это самый эффективный способ уменьшения ripple и шума. Он обеспечивает стабильное выходное напряжение без необходимости изменять исходную систему обратной связи, однако одновременно снижает общую эффективность источника питания и является самым дорогим вариантом. Важным параметром LDO является PSRR (Power Supply Rejection Ratio), который описывает, в какой степени изменения на входе питания передаются на выход. После прохождения через LDO уровень коммутационных пульсаций обычно оказывается ниже 10mV.
Разводка печатной платы импульсного источника питания также чрезвычайно важна для уменьшения пульсаций. Неправильное размещение компонентов, нерациональное заземление или прохождение критических трасс рядом с чувствительной областью ключа могут вызвать рост ripple и высокочастотного шума.