下图为Buck电路的SW与输出电压纹波ΔVout的波形图。

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一道面试题

照例，先抛出来一道面试题“Buck电路的输出电压纹波ΔVout超标，如何解决？”。这道题，出去找过几次工作的小伙伴应该懂的，这个问题的中标率其实很高。因为这个问题看似简单，但贴近实际应用，同时又能体现答题者的基本功，颇受面试官喜爱。


纹波怎么形成的

众所周知，DC-DC电路在输出电压时，其内部的开关管(MOS管)在不停地导通和关断。在这个导通和关断的过程中，电能从输入端传输到输出端。而电容C在此过程中，作为储能器件，不断的进行充电和放电。每次的充放电都会造成电压的波动，这个波动频率与电源的开关频率fsw是一致的。文章开头的图片也可以证明这一点。这个波动就是前面所说的“输出电压纹波”，它是叠加在输出电压直流分量上的交流分量。

说到这里，不晓得你能否想到输出电压纹波都与DC-DC的哪些因素相关。给自己30秒，先思考下再往下看。


答案1

增加输出端的电容，增大LC滤波，以减小电压纹波。


答案2
① 增加输出端的滤波电容，尤其是ESR小的电容，降低输出端并联后的电容ESR，可以降低电压纹波；
② 更换感值更大的电感；
③ 在FB端的上采样电阻上并联pf级电容，增强DC-DC的动态响应，有助于减小电源纹波；
扩展说明：
1）输出电容的ESR与输出电压纹波ΔVout呈正比。

根据第2部分的描述，纹波是电容充放电过程中产生的电压波动。由于电感纹波电流的存在，越小的ESR，所对应产生的纹波电压就越小。

2）电感纹波电流ΔI与ΔVout呈正比。

输出电压的纹波与电感纹波电流ΔI之间存在复杂计算关系，这里不做展开。只需要了解它们是正比关系即可。

3）电感感值L与ΔVout呈反比。
为什么是反比？根据《纯干货！DC-DC的电感计算公式推导过程！》推导的电感公式：
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及电流纹波率公式：
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可得电感纹波电流ΔI：
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由此可以看出，电感纹波电流ΔI与电感感值L呈反比，而纹波电流与纹波电压呈正比，因此纹波电压与电感感值L呈反比。所以增大电感，可以减小纹波电压。

4）增加前馈电容，增强DC-DC的动态响应，有益于降低纹波。

如下图所示，矽力杰的SY8893，Cff即为前馈电容，Datasheet中有描述增加22pf电容，可以有助于环路稳定性和系统的动态相应，可加速负载调整相应速度。

说明下，这部分属于个人理解，笔者暂时没有找到相关的计算推理来证明两者间的关系。所以只说有益于降低纹波。
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Datasheet上的解释：
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答案3
在答案2的基础上，新增:
④ 增大开关频率fsw，可以降低纹波电流，进而降低纹波电压；
⑤ 保持Vout不变，调高Vin，使得D减小，则可降低纹波电压。

扩展说明：
1）开关频率fsw与输出电压纹波ΔVout呈反比。
2）Buck电路的占空比D与输出电压纹波ΔVout呈反比。

上述两个关系，可通过伏秒定律以及Buck的传递函数得出：

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由此可以看出，电感纹波电流ΔI与fsw、D呈反比，所以纹波电压ΔVout与fsw、D呈反比。


总结

总结下，Buck电路的输出电压纹波ΔVout跟哪些因素有关，影响趋势是怎样的？

（1）输出电容的ESR，与ΔVout呈正比。
（2）电感纹波电流ΔI与ΔVout呈正比。
（3）电感感值L与ΔVout呈反比。
（4）开关频率fsw与ΔVout呈反比。
（5）Buck电路的占空比D与ΔVout呈反比。
（6）DC-DC的动态响应与ΔVout呈正比。

既然知道了以上的关系，那如何减小输出电压纹波？

那就是减小ESR，增大L/fsw/D!

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