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1、 Saber 仿仿真真作作业业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 -
2、 3 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.- 2
3、0 - 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 Vi in nQ QfCfLR RD DU Ub bU Uo o+ +- -A A图 1.1 Buck 变换器电路U Ub b0 0AU
4、0 00 0t tt tt tV Vi in nLiLiQ QO ON N Q QO Of ff f图 1.2 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 0t0t1 t0t1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）dt
5、diLUUoi电感中的电流线性上升，式 1-1 可写成：- 3 -（式 1-2）onononominomax oiTiLTiiLUU（2）开关模态 1t1t2 t1t2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）dtdiLU0o电感中的电流线性下降，式 1-3 可写成：（式 1-4）offoffoffominomaxoffomaxomin oTiLTiiLTiiLU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：iiionoff（式 1-5）ioDUU 输出电流平均值：（式 1-6）)ii21Iomi
6、nomaxo （+ +- -V Vi in nQ QfCfLR RD DU Ub bU Uo o+ +- -A A图 1.3(a) t0t1+ +- -V Vi in nQ QfCfLR RD DU Ub bU Uo o+ +- -A A图 1.3(b) t1t2U Ub b0 0AU0 00 0t tt tt tV Vi in nLiLi t t0 0t t1 1t t2 2Q QO ON N Q QO Of ff f图 1.3(a) t1t2的主要工作波形U Ub b0 0AU0 00 0t tt tt tV Vi in nLiLit t0 0t t1 1t t2 2Q QO ON N Q
7、 QO Of ff 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少到时，此时最小负载电流，即为电感临界连续电流：0iominiiomaxominIGI（式 1-7）2ii21IIomaxominG由式 1-2 及式 1-5 得，带入式 1-7 得：i（式 1-8）)D1 (DL2TUIi G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）L8TUIi Gmax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）)TiTi21 T1I off offon
