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1、 Saber 仿 真 作 业Buck 变换器的设计与仿真 - 1 -目 录1 Buck 变换器技术 .- 2 -1.1 Buck 变换器基本工作原理 .- 2 -1.2 Buck 变换器工作模态分析 .- 2 -1.3 Buck 变化器外特性 .- 4 -2 Buck 变换器参数设计 .- 5 -2.1 Buck 变换器性能指标 .- 5 -2.2 Buck 变换器主电路设计 .- 5 -2.2.1 占空比 D.- 5 -2.2.2 滤波电感 Lf.- 5 -2.2.3 滤波电容 Cf .- 7 -2.2.4 开关管 Q 的选取 .- 7 -2.2.5 续流二极管 D 的选取 .- 8 -3
2、Buck 变换器开环仿真 .- 8 -3.1 Buck 变换器仿真参数及指标 .- 8 -3.2 Buck 变换器开环仿真结果及分析 .- 8 -4 Buck 变换器闭环控制的参数设计 .- 9 -4.1 闭环控制原理 .- 9 -4.2 Buck 变换器的闭环电路参数设计 .- 10 -4.2.1 Gvd(s)的传递函数分析 .- 10 -4.2.2 补偿环节 Gc(s)的设计 .- 13 -4.2.3 补偿环节参数设计 .- 15 -5 Buck 变换器闭环仿真 .- 19 -5.1 Buck 变换器闭环仿真参数及指标 .- 19 -5.2 Buck 变换器闭环仿真电路原理图 .- 20
3、-5.3 Buck 变换器的闭环仿真结果与分析 .- 20 -6 总结 .- 22 - - 2 -1 Buck 变换器技术1.1 Buck 变换器基本工作原理Buck 电路是由一个功率晶体管开关 Q 与负载串联构成的，其电路如图 1.1。驱动信号 ub 周期地控制功率晶体管 Q 的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压 uo 等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为 0。电路的主要工作波形如图 1.2。+-V i nQ fCfLRDU bU o+-A图 1.1 Buck 变换器电路U b0A00tttV i nLi LiQ O NQ O f f图 1.2
4、Buck 变换器的主要工作波形1.2 Buck 变换器工作模态分析在分析 Buck 变换器之前，做出以下假设： 开关管 Q、二极管 D 均为理想器件； 电感、电容均为理想元件；电感电流连续； 当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中，变换器有 2 种开关模态，其等效电路如图 1.3 所示，各开关模态的工作情况描述如下：（1）开关模态 0t0t1t0t1对应图 1.3（a)。在 t0 时刻，开关管 Q 恰好开通，二极管 D 截止。此时：（式 1-1）dtiLUoi电感中的电流线性上升，式 1-1 可写成： - 3 -（式 1-2）ononmiaxoi TiLiU（2）开关模
5、态 1t1t2t1t2对应图 1.3（b) 。在 t1 时刻，开关管 Q 恰好关断，二极管 D 导通。此时：（式 1-3）dti0o电感中的电流线性下降，式 1-3 可写成：（式 1-4）ofofminaxofmaxino TiLiTLU式中 Toff 为开关管 Q 的关断时间。在稳态时， ，联解式 1-2 与式 1-4 可得：iinf（式 1-5）ioD输出电流平均值：（式 1-6）)i21Iomnaxo（+-V i nQ fCLRDU bU o+-A图 1.3(a) t0t1+-V i nQ fCLRDU bU o+-A图 1.3(b) t1t2U b0A00tttV i nLi Lit
6、0 t 1 t 2Q O NQ O f f图 1.3(a) t1t2的主要工作波形U b0A00tttV i nLi Lit 0 t 1 t 2Q O NQ O f f图 1.3(b) t1t2的主要工作波形1.3 Buck 变化器外特性在恒定占空比下，变化器的输出电压与输出电流的关系 Uo=f(io)称为变换器的外特性。式 1-5 表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。当负载电流减小时，可能出现电感电流断 - 4 -续现象。图 1.4 为电感电流断续时电流波形图。由式 1-2 与式 1-4 可知，当输入电压和输出电压一定时， 为常数。由式 1-6 可见，当负载电流减i少
7、到 时， ，此时最小负载电流 ，即为电感临界连续电流 ：0iomniiomaxominI GI（式 1-7）2ii1IoaxoinG由式 1-2 及式 1-5 得 ，带入式 1-7 得：i（式 1-8）)D1(LTUIiG由上式可见，临界连续电流与占空度的关系为二次函数，当 D=1/2 时，临界连续电流达到最大值：（式 1-9）8Iimax当电感电流断续时，即在 Toff 结束前续流二极管的电流已下降到 0，此时输出的平均电流为：（式 1-10）)Tii21TIofono（式中， 为开关管关断后电感电流持续的时间，并且：ofT（式 1-11）ofofninTUL1i)）（ 稳态时， ，由式 1-11 得：ofni（式 1-12）oniofT将式 1-11 及式 1-12 带入式 1-10 得：（式 1-13）oi2GmaxoUD4I/即： （式 1-）2GmaxoioI/(1/14）0T
