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1、武汉理工大学毕业设计（论文）目录摘 要1Abstract21 绪论31.1 电力电子技术的概述31.2 开关电源的研究现状和发展趋势31.3 Buck 斩波电路的研究意义51.4 论文的主要研究内容.62 Buck 斩波电路的原理.72.1 Buck 变换器的连续导电模式82.2 Buck 变换器电感电流不连续的导电模式102.3 电感电流连续的临界条件.112.4 纹波电压 UO及电容计算122.5 参数的计算123 Buck 斩波电路的建模.143.1 开关电路的建模143.1.1 理想开关模型.143.1.2 状态空间平均模型.153.1.3 小信号模型.173.2 系统的传递函数183
2、.2.1 降压斩波电路的传递函数.183.2.2 PWM 比较器的比较函数203.2.3 调节器的传递函数.214 控制电路的设计224.1 电压模式控制电路的设计224.1.1 电压调节器的结构形式.224.1.2 电压调节器的参数.234. 2 控制电路结构245 Buck 斩波电路的控制仿真研究.255.1 Matlab 简介.255.2 Buck 斩波电路主电路的仿真255.3 Buck 斩波电路的 PID 控制算法的仿真27武汉理工大学毕业设计（论文）6 全文总结及展望.30参考文献31附录 1：主电路仿真模型.32附录 2：主电路仿真波形图.33附录 3：PID 仿真图.34致 谢
3、35武汉理工大学毕业设计（论文）1摘 要随着电子产品与人们工作和生活的关系日益密切，便携式和待机时间长的电子产品越来越受到人们的青睐，它们对电源的要求也越来越高。DC-DC 开关电源芯片是一种正在快速发展的功率集成电路，具有集度高，综合性能好等特点，具有很好的市场前景和研究价值。论文在研究开关电源技术发展现状和前景的基础上，设计一种 Buck 型 DC-DC 开关电源的设计。首先对主电路的工作原理和系统构成进行了研究和分析，包括工作过程中各个元器件的工作状态和工作特点。在完成主电路部分后对主电路建立理想模型、状态空间平均模型和小信号模型，得出系统的传递函数。采用电压模式控制方式，PID 控制算
4、法来进行控制，通过临界比例度法整定PID 参数。最后通过 Matlab 对系统进行仿真，仿真结果达到设计指标。关键词：Buck 型开关电源；小信号模型；电压模式控制；PID 控制算法武汉理工大学毕业设计（论文）2AbstractAs the electronic products and people living and working relationship is cl-osing，Portable and long standby time electronic products get more and morepeoples favour，the requirements of p
5、ower are expanding. DC - DC switch p-ower supply chip is a rapid development power integrated circuit，comprehensi-ve performance is well, which with good market prospect and the research val-ue.Based on research of switch power technology development status and pros-pects,the text Presents a Buck ty
6、pe DC - DC switch power design. Firstly I analysisthe working principle of the main circuit structure and system, Including the working process of various components working condition and the work c-haracteristics. In fulfilling the circuit of the establishment of main circuit after ideal model, the
7、 state space average model and small signal model, then，get the transfer function of the system. Adopt voltage mode control mode and PIDcontrol algorithm to control,use the critical ratio degree to set PID parameters. Finally through Matlab to simulate the system, and simulation results achieved the
8、 design index.Key word: Buck switch power supply；small signal model；voltage mode control；PID control algorithm武汉理工大学毕业设计（论文）31 绪论1.1 电力电子技术的概述电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支1。通常所说的的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制技术。目前所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称电力半导体器件1。电力电子技术所变换的“电力” ，功率可达到数百
9、照瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至毫瓦级。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是两者的本质不同。通常所用的电力有直流和交流两种。从公用电网得到的电力是交流，从蓄电池和干电池得到的电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换。电力变换通常分为四大类：即交流变直流（AC-DC） 、直流变交流（DC-AC） 、直流变直流（DC-DC） 、交流变交流（AC-AC）1。通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制技术，以及由这些电路构成
10、电力电子装置和各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术5。变流不只指交直流之间的变换，也包括上述的直流变直流，交流变交流的变换。如果没有晶闸管、电力晶体管、IGBT 等电力电子器件，也就没有电力电子技术，而电力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子器件的制造技术的理论基础是半导体物理，而变流技术的理论基础是电路理论。1.2 开关电源的研究现状和发展趋势我们常说的电源管理芯片实际上是指具有自动控制环路和保护电路DC-DC变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在90年代中后期问世，由于替换了大部分分
11、立器件，使开关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了成本，因而显示出强大的生命力3。开关电源的发展已有30多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域14。20世纪60年代出现过晶闸管相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广、使之应用受到限制嘲15。70年代后期以来，武汉理工大学毕业设计（论文）4随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展15。将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使
12、电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。电源的集成化，使得它被广泛应用十电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中。随着半导体技术和微电子技术的不断发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻，与之相比，电源要笨重的多3。在现代电子产品中，电源体积要比微处理器大几十倍，如何减小开关电源的体积，面临着新的挑战，提高频率也是开关电源要面临的问题。理论分析和实践经验表明，电器产品的体积、重量随供电频率的平方根成反比的减少，所以当把频率从50Hz提高到20kHz，提高400倍，用电设备的体积、重量大体上降至高频设计的5502。但是，频率提高以
13、后，对整个电路中的元器件又将有新的要求，因此高频工作下的有关电路元器件也有待于进一步的研究。我国对开关稳压电源的研制工作开始于60年代初期，70年代起，我国在黑白电视机、中小型计算机中开始应用5V,20A200A、20KHz、AC-DC开关电源。80年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究0.55MHz准谐振型软开关电源。80年代中，我国通信电源AC-DC及DC-DC开关电源应用领域中所占比重还比较低。80年代末，我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压整流电源和晶闸管相控稳压电源为大功率AC-DC开关电源所取代，并开始在办公室自动化设备中得到应用。90年代我国又研制开发了一批新型专用开
14、关电源，如卫星上用的开关电源、远程火箭控制系统用的DC-DC开关电源等10。随着技术的进步，DC-DC开关电源朝着高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化方向发展：（1）专用化：对通信电源等大功率系统，采用集成的开关控制器和新型的高速功率开关器件，改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，达到最佳的效率2。对于小型便携式电子设备，则主要是单片集成开关电源的形式，采用新型的控制方式和电路结构来减小器件体积、减小待机功耗，提供低输出电压、高输出电流以适应微处理器和便携式电子设备等产品电源系统的供电要求。（2）高频率：随着开关频率的不断提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态
15、响应得到改善。小功率DC-DC转换器的开关频率将上升到50MHz6。但随着开关频率的提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频电磁干扰(EMI)等新的问题也将随之产生，因此实现零电压导通(zvs)、零电流关断(zCS)的软开关技术将成为开关电源产品未来的主武汉理工大学毕业设计（论文）5流。（3）高可靠：开关电源比线性电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器、开关管及高频变压器等决定电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是依赖使用方。美国德州仪器(TI)、安森美(Onsemi)、美信(MAXIM)等公司通过降低结温、减少器件的电应力、
16、降低运行电流等措施使其DC-DC开关电源最新的系列产品的可靠性大大提高，产品平均无故障工作时间高达10万小时以上15。(4)低噪声：与线性电源相比，开关电源的一个缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问难以解决。(5)抗电磁干扰2：当开关电源在高频下工作时，噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国己有抗电磁干扰的规范或标准，如美国的FCC，德国的VDE等，研究开发抗电磁干扰的开关电源日益显得重要15。1.3 Buck 斩波电路的研究意义形形色色的移动通讯设备、便携式娱乐设备、车载设备等电子产品的发展日新月异，它们越来越强调多功能、小体积以及绿色环保等特性，这将推动电源管理技术的蓬勃发展。以3G智能手机、便携多媒体播放器、GPS导航设备、MP3播放器为代表的便携式消费电阿子产品，对长电池使用时间、高功能
