1第二章 DC-DC电路(Buck)的设计与仿真 2DC-DC电路(Buck)的设计与仿真1开环设计；开环设计；2开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；3闭环设计与仿真；闭环设计与仿真； 4闭环仿真；闭环仿真；5元件级设计与仿真元件级设计与仿真 3一一 Buck电路的开环设计电路的开环设计（1）性能指标；（2）Buck电路的工作原理；（3）Buck电路的开环设计； 4（（1）性能指标）性能指标•DC-DC变换器性能指标：•输入电压：36-72 VDC（额定48V）•输出性能：–额定输出电压 Vout 28VDC–输出电流纹波 Vout(p-p) <50mV–额定负载电流 Iout 10A，在负载电流大于2A时，电感电流工作于CCM•其他性能：–开关频率 100kHz 5（（2））Buck电路的工作原理电路的工作原理•电路拓扑• CCM下的电路工作原理 6（（3））Buck电路的开环设计电路的开环设计•主电路参数设计（1）占空比（2）滤波电感量滤波电感设计（3）滤波电容（4）功率器件 7占空比占空比（1）占空比 8滤波电感设计滤波电感设计•电感量，2A时（1/5负载），电感电流临界连续。
9滤波电容设计滤波电容设计•ILf>Io充电,ILf 为时域分析和交流小信号分析称为静态工作点为时域分析和交流小信号分析提供初始值提供初始值•t=0时，所有时变参量为时，所有时变参量为0情况下，分析电路的情况下，分析电路的DC偏置点如电感为短路，电容为开路等）偏置点如电感为短路，电容为开路等）•作用：求解系统的静态工作点，为其他分析提供作用：求解系统的静态工作点，为其他分析提供计算初始点；提供快速检查计算初始点；提供快速检查 20难以进行直流分析的电路难以进行直流分析的电路•电容割集（电容和电流源组成的割集）;•电压源与电感串联、电流源与电容串联;•具有不同初值的电感串联•具有不同初值的电容并联; 21Analyses > Operating Point > DC Operating Point :（简略介绍）（简略介绍） 22仿真器主要参数：Monitor progress ：进度显示控制； •0 执行时间•-1 执行概要和时间•其他整数 迭代信息、运算法则、截断误差、CPU时间等Sample Point Density;Display After Analysis：自动显示结果 23仿真器主要参数：Ending Initial Point File：结束文件；Use Initial Conditions：是否使用初始条件。 24（（2）仿真模拟）仿真模拟②时域分析（transient）§时域分析的概念与作用•瞬态分析用于检验系统的时域特性，此分析通常从静态工作点开始是是功率变换器功率变换器数值仿真中数值仿真中应用最广泛的分析类型应用最广泛的分析类型§瞬态分析对话框 25Analysis > Time Domain > Transient :Basic•End Time：定义瞬态分析结束时间；•Time Step：步长步长；–设计中有关时间常数的1/10；–驱动源最小的上升或下降沿；–正弦驱动源输入周期的1/100•Start Time：开始时间; 26Analysis > Time Domain > Transient :Basic•Monitor progress –0 执行时间–-1 执行概要和时间–其他整数 迭代信息、运算法则、截断误差、CPU时间等•DC analysis•Plot after analysis 27Analysis > Time Domain > Transient :Calibration–Truncation Error 在分析过程中每次计算结果的舍入精度这个参数对仿真结果精度影响很大，甚至导致仿真不收敛。 参数值越小，仿真精度越高，但参数值过小会降低仿真速度通常取100u即可0.1倍倍改变•Sample point Density 28Sample Point Density：•仿真器对电路中的非线性模块做线性化处理时将其分为n个线性段(n值为此参数值的2倍)，n越大，精度越高，但会降低仿真速度，最大可取1k•DC分析中，有助于找到直流工作点；•Transient 分析中，乘以DC分析中的该设置值；•取值越大，曲线越平滑，越逼近真实波形；2倍 29开环仿真（瞬态）、分析与模型细化（1）原理图编辑（2）仿真模拟（（3）仿真结果分析）仿真结果分析（4）模型细化 30（3）仿真结果分析•查看仿真波形–图形文件的打开–现有信号的查看–信号的运算•测量分析结果•验证设计是否满足要求–观测各种情形下关键点波形 31（3）仿真结果分析①输出电压纹波；–电容电流波形，软启动的概念②电感电流波形（DCM、CCM）；–电感电压波形③开关管电压、电流应力；④二极管电压、电流波形；⑤电源电流波形；⑥不同Vin和不同负载的情况；⑦输出功率波形波形（运算） 32Buck电路的设计电路的设计1开环设计；开环设计；2开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；3闭环基本概念与闭环基本概念与AC 小信号仿真；小信号仿真； 4闭环仿真；闭环仿真；5元件级仿真。 元件级仿真 33开环仿真（瞬态）、分析与模型完善开环仿真（瞬态）、分析与模型完善（1）原理图编辑（2）仿真模拟（3）仿真结果分析（（4）模型完善）模型完善 34（4）模型完善I.滤波电感——串联电阻线路压降；（实际设计<需要查磁芯手册>）II.滤波电容—串联电阻 输出电压纹波；III.线路寄生参数及其影响a.寄生电感；b.寄生电容；IV.半导体器件的寄生参数和实际元器件的选取 35I 滤波电感设计滤波电感设计①电感量计算；②磁芯选取a.电感磁芯材料的选取：•有较大的直流偏磁，磁通摆幅小，相应交流损耗也小，因此可以选择较高的饱和磁密应选取（铁氧体铁氧体、铁粉芯、铁铝硅Kool u、MPP、 high flux、非晶等 ）；----b.初选磁芯型号：•其中Lf为电感值（H），I为通过电感的直流平均值（A），Bm是磁芯工作磁密（Gs），J是线圈电流密度，通常取3~5（A/mm2），Kw是窗口的填充系数，Kc为磁芯填充系数 •经计算，查相关手册后可初选出磁芯型号 36（（2）滤波电感设计）滤波电感设计③计算匝数和气隙a.最大磁通摆幅：b.计算匝数和气隙④计算导体尺寸•线圈电流密度通常取3~5（A/mm2）。 ⑤校核： Bm、窗口、损耗(铜耗，铁耗查曲线) 37II 滤波电容设计（电解）滤波电容设计（电解）•If>Io充电,If •作业：•1：完成单端正激电路设计报告（含所有主电路参数设计，需要查阅相关手册，选取所有元器件） ；•saber0307@；Password:0307123456 43作业内容作业内容•1：单端正激电路设计报告（含变压器与电感器的设计）；–主电路设计（变压器、开关管、二极管、滤波电感、滤波电容）；–仿真分析（1，采用理想元器件分析性能指标的满足情况；2，评估所选元器件的合理性；3，理想元器件与实际元器件模型带来的性能指标差异性分析） 44单端正激单端正激D2D性能指标性能指标•DC-DC变换器性能指标：•输入电压：36-72 VDC（额定48V）•输出性能：–额定输出电压 Vout 15VDC–输出电流纹波 Vout(p-p) <30mV–额定负载电流 Iout 2A，在负载电流大于0.2A时，电感电流工作于CCM•其他性能：–开关频率 100kHz 。
为时域分析和交流小信号分析称为静态工作点为时域分析和交流小信号分析提供初始值提供初始值•t=0时，所有时变参量为时，所有时变参量为0情况下，分析电路的情况下，分析电路的DC偏置点如电感为短路，电容为开路等）偏置点如电感为短路，电容为开路等）•作用：求解系统的静态工作点，为其他分析提供作用：求解系统的静态工作点，为其他分析提供计算初始点；提供快速检查计算初始点；提供快速检查 20难以进行直流分析的电路难以进行直流分析的电路•电容割集（电容和电流源组成的割集）;•电压源与电感串联、电流源与电容串联;•具有不同初值的电感串联•具有不同初值的电容并联; 21Analyses > Operating Point > DC Operating Point :（简略介绍）（简略介绍） 22仿真器主要参数：Monitor progress ：进度显示控制； •0 执行时间•-1 执行概要和时间•其他整数 迭代信息、运算法则、截断误差、CPU时间等Sample Point Density;Display After Analysis：自动显示结果 23仿真器主要参数：Ending Initial Point File：结束文件；Use Initial Conditions：是否使用初始条件。
24（（2）仿真模拟）仿真模拟②时域分析（transient）§时域分析的概念与作用•瞬态分析用于检验系统的时域特性，此分析通常从静态工作点开始是是功率变换器功率变换器数值仿真中数值仿真中应用最广泛的分析类型应用最广泛的分析类型§瞬态分析对话框 25Analysis > Time Domain > Transient :Basic•End Time：定义瞬态分析结束时间；•Time Step：步长步长；–设计中有关时间常数的1/10；–驱动源最小的上升或下降沿；–正弦驱动源输入周期的1/100•Start Time：开始时间; 26Analysis > Time Domain > Transient :Basic•Monitor progress –0 执行时间–-1 执行概要和时间–其他整数 迭代信息、运算法则、截断误差、CPU时间等•DC analysis•Plot after analysis 27Analysis > Time Domain > Transient :Calibration–Truncation Error 在分析过程中每次计算结果的舍入精度这个参数对仿真结果精度影响很大，甚至导致仿真不收敛。
参数值越小，仿真精度越高，但参数值过小会降低仿真速度通常取100u即可0.1倍倍改变•Sample point Density 28Sample Point Density：•仿真器对电路中的非线性模块做线性化处理时将其分为n个线性段(n值为此参数值的2倍)，n越大，精度越高，但会降低仿真速度，最大可取1k•DC分析中，有助于找到直流工作点；•Transient 分析中，乘以DC分析中的该设置值；•取值越大，曲线越平滑，越逼近真实波形；2倍 29开环仿真（瞬态）、分析与模型细化（1）原理图编辑（2）仿真模拟（（3）仿真结果分析）仿真结果分析（4）模型细化 30（3）仿真结果分析•查看仿真波形–图形文件的打开–现有信号的查看–信号的运算•测量分析结果•验证设计是否满足要求–观测各种情形下关键点波形 31（3）仿真结果分析①输出电压纹波；–电容电流波形，软启动的概念②电感电流波形（DCM、CCM）；–电感电压波形③开关管电压、电流应力；④二极管电压、电流波形；⑤电源电流波形；⑥不同Vin和不同负载的情况；⑦输出功率波形波形（运算） 32Buck电路的设计电路的设计1开环设计；开环设计；2开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；3闭环基本概念与闭环基本概念与AC 小信号仿真；小信号仿真； 4闭环仿真；闭环仿真；5元件级仿真。
元件级仿真 33开环仿真（瞬态）、分析与模型完善开环仿真（瞬态）、分析与模型完善（1）原理图编辑（2）仿真模拟（3）仿真结果分析（（4）模型完善）模型完善 34（4）模型完善I.滤波电感——串联电阻线路压降；（实际设计<需要查磁芯手册>）II.滤波电容—串联电阻 输出电压纹波；III.线路寄生参数及其影响a.寄生电感；b.寄生电容；IV.半导体器件的寄生参数和实际元器件的选取 35I 滤波电感设计滤波电感设计①电感量计算；②磁芯选取a.电感磁芯材料的选取：•有较大的直流偏磁，磁通摆幅小，相应交流损耗也小，因此可以选择较高的饱和磁密应选取（铁氧体铁氧体、铁粉芯、铁铝硅Kool u、MPP、 high flux、非晶等 ）；----b.初选磁芯型号：•其中Lf为电感值（H），I为通过电感的直流平均值（A），Bm是磁芯工作磁密（Gs），J是线圈电流密度，通常取3~5（A/mm2），Kw是窗口的填充系数，Kc为磁芯填充系数 •经计算，查相关手册后可初选出磁芯型号 36（（2）滤波电感设计）滤波电感设计③计算匝数和气隙a.最大磁通摆幅：b.计算匝数和气隙④计算导体尺寸•线圈电流密度通常取3~5（A/mm2）。
⑤校核： Bm、窗口、损耗(铜耗，铁耗查曲线) 37II 滤波电容设计（电解）滤波电容设计（电解）•If>Io充电,If •作业：•1：完成单端正激电路设计报告（含所有主电路参数设计，需要查阅相关手册，选取所有元器件） ；•saber0307@；Password:0307123456 43作业内容作业内容•1：单端正激电路设计报告（含变压器与电感器的设计）；–主电路设计（变压器、开关管、二极管、滤波电感、滤波电容）；–仿真分析（1，采用理想元器件分析性能指标的满足情况；2，评估所选元器件的合理性；3，理想元器件与实际元器件模型带来的性能指标差异性分析） 44单端正激单端正激D2D性能指标性能指标•DC-DC变换器性能指标：•输入电压：36-72 VDC（额定48V）•输出性能：–额定输出电压 Vout 15VDC–输出电流纹波 Vout(p-p) <30mV–额定负载电流 Iout 2A，在负载电流大于0.2A时，电感电流工作于CCM•其他性能：–开关频率 100kHz 。
•作业：•1：完成单端正激电路设计报告（含所有主电路参数设计，需要查阅相关手册，选取所有元器件） ；•saber0307@；Password:0307123456 43作业内容作业内容•1：单端正激电路设计报告（含变压器与电感器的设计）；–主电路设计（变压器、开关管、二极管、滤波电感、滤波电容）；–仿真分析（1，采用理想元器件分析性能指标的满足情况；2，评估所选元器件的合理性；3，理想元器件与实际元器件模型带来的性能指标差异性分析） 44单端正激单端正激D2D性能指标性能指标•DC-DC变换器性能指标：•输入电压：36-72 VDC（额定48V）•输出性能：–额定输出电压 Vout 15VDC–输出电流纹波 Vout(p-p) <30mV–额定负载电流 Iout 2A，在负载电流大于0.2A时，电感电流工作于CCM•其他性能：–开关频率 100kHz 。
