电感中的纹波怎么产生，电感中的纹波是如何形成的？

摘要： 电感中的纹波产生是一个复杂且多方面的问题，涉及电感器的基本特性、电路设计和外部环境因素，以下将从多个角度详细解释电感中纹波的产生原因：1、电感电流在换流瞬间不能跳变能量不跃变：电感...

电感中的纹波产生是一个复杂且多方面的问题，涉及电感器的基本特性、电路设计和外部环境因素，以下将从多个角度详细解释电感中纹波的产生原因：

1、电感电流在换流瞬间不能跳变

能量不跃变：电感器储存的能量与电流的平方成正比（\(E = \frac{1}{2} L I^2\)），若电流瞬间发生跃变，所需电压将趋于无穷大，这在实际电路中是不可能的，电感电流在任何瞬间都必须连续变化。

实际应用：在开关稳压电源中，当开关器件在导通和关断之间切换时，电感电流必须平滑过渡，这一特性使得电感器能够平滑输出电流，减少输出电压的纹波。

2、电感电压伏秒积在一个周期内必须平衡

伏秒积平衡原则：根据法拉第电磁感应定律，电感器电压与电流的变化率成正比（\(V_L = L \frac{dI_L}{dt}\)），在一个完整的开关周期内，电感器电压的正负伏秒积必须相等，以确保电流在每个周期结束时返回到初始值。

数学表示：\(\int_{0}^{T} V_L \, dt = 0\)，即在一个周期内的电感电压积分为零。

实际应用：在开关稳压电源中，这一原则确保电感器在每个周期内的能量交换是平衡的，避免了电流的积累或衰减，从而保持输出电流的稳定。

3、电感电流纹波取决于电感电压伏秒积

物理意义：在一个开关周期内，电感电流的变化可以通过电感电压和时间的乘积来计算，电流纹波ΔI可以表示为：\(\Delta I_L = \frac{V_{L_{on}} \cdot T_{on}}{L} \frac{V_{L_{off}} \cdot T_{off}}{L}\)。

公式简化：结合电压伏秒积平衡原则，电流纹波公式可以简化为：\(\Delta I_L = \frac{(V_{in} V_{out}) \cdot D \cdot T}{L}\)。

实际应用：通过选择适当的电感值（L）和控制开关周期（T）以及占空比（D），可以调节电流纹波的大小，较大的电感值可以有效减少电流纹波，提高输出电流的平滑度。

4、开关元件的特性

开关上升和下降时间：SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间，这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声。

二极管反向恢复过程：二极管的反向恢复过程也会引起谐振，产生的噪声频率一般为几十MHz。

5、电路设计和外部因素

PCB设计：走线过细过长会增大阻抗，大电流在此大阻抗上会产生比较高的纹波电压；寄生电容和阻抗会增大开关损耗和导通损耗，影响DCDC效率。

输入输出电容的选择：输出电容的容量和等效串联电阻（ESR）对纹波的影响很大，增大输出电容值可以减小纹波。

滤波电路的设计：增加LC滤波电路可以显著抑制纹波。

6、高频噪声

定义：高频噪声是指频率高于5MHz的噪声，包括MOSFET的开关噪声、白噪声及周围信号的干扰等。

抑制方法：使用软开关技术、在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络、采用π形LC滤波电路等方法可以有效抑制高频噪声。

7、AC/DC变换器的特有问题

AC噪声：AC/DC变换器中除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率（50～60Hz左右）。

共模噪声：由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的共模噪声。

8、测量和抑制方法

测量方法：使用示波器测量纹波时，应去除探头上的夹子与地线，使用接地环，并在探头上并联一个10UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容。

抑制方法：增大电感和输出电容的值、采用多并联输出电容、增加开关频率、合理布线等方法可以有效抑制纹波。

电感中的纹波产生主要源于电感器的基本特性、开关元件的特性、电路设计和外部环境因素，通过优化电感值、控制开关周期和占空比、选择合适的滤波电路和电容、合理布线等方法，可以有效减少纹波，提高电源的稳定性和效率。