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1、现代电源技术基于BUCK电路的电源设计学院：专业：姓名：班级：学号：指导教师：日期：目录摘要3一、设计意义及目的4二、Buck电路基本原理和设计指标42.1 Buck电路基本原理42.2 Buck电路设计指标6三、参数计算及交流小信号等效模型建立63.1 电路参数计算63.2 交流小信号等效模型建立10四、控制器设计12五、Matlab电路仿真175.1 开环系统仿真175.2 闭环系统仿真19六、设计总结23摘要Buck电路是DC-DC电路中一种重要的基本电路，具有体积小、效率高的优点。本次设计采用Buck电路作为主电路进行开关电源设计，根据伏秒平衡、安秒平衡、小扰动近似等原理，通过交流小信
2、号模型的建立和控制器的设计，成功地设计了Buck电路开关电源，通过MATLAB/Simulink进行仿真达到了预设的参数要求，并有效地缩短了调节时间和纹波。通过此次设计，对所学课程的有效复习与巩固，并初步掌握了开关电源的设计方法，为以后的学习奠定基础。关键词：开关电源设计Buck电路一、设计意义及目的通常所用电力分为直流和交流两种，从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，因此需要进行电力变换。常用的电力变换分为四大类，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）。其中DC-DC电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电
3、，包过直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路又称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，主要包括六种基本斩波电路：Buck电路，Boost电路，Buck-Boost电路，Cuk电路，Sepic电路，Zeta电路。其中最基本的一种电路就是Buck电路。因此，本文选用Buck电路作为主电路进行电源设计，以达到熟悉开关电源基本原理，熟悉伏秒平衡、安秒平衡、小扰动近似等原理，熟练的运用开关电源直流变压器等效模型，熟悉开关电源的交流小信号模型及控制器设计原理的目的。这些知识均是线代电源设计课程中所学核心知识点，通过本次设计，将有效巩固课堂所学知识，并加深理解。二、B
4、uck电路基本原理和设计指标2.1 Buck电路基本原理Buck变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器，主要用于电力电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。其基本结构如图1所示：图1Buck电路基本结构图在上图所示电路中，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使Vs的直流分量可以通过，而抑制Vs的谐波分量通过；电容上输出电压V就是Vs(t)的直流分量再附加微小纹波Vripple(t)。由于电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波Vripple很小，相对于电容上输出的直流电压V有：.四川式切什叱“乙电容上电压宏观上可以看作恒定
5、。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小扰动近似原理。一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡当开关管导通时，电感电流增加，电感储能；
6、而当开关管关断时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁U=0链增量为：AW=0。此增量将产生一个平均感应电势：丁o此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。2.2 Buck电路设计指标基于如上电路基本原理，设定如下指标:输入电压：25v输出电压：5v输出功率：10W开关频率：100KHz电流扰动：15%电压纹波：0.02根据上述参数可知：R=2.5Q三、参数计
7、算及交流小信号等效模型建立3.1电路参数计算根据如图2所示Buck电路开关等效图可知:Buck有两种工作状态，通过对开关管导通与关断时(即开关处于1时和2时)的电路进行分析可计算出电路的电感值。其开关导通与关断时对应的等效电路图如图3、4所示：L+Vi(t)-I，加一=rc*附图3导通时等效电路FC开关处于1位置时，对应的等效电路为图3,此时电感电压为:%=%-哂根据小扰动近似得：，餐(2同理，开关处于2位置时，对应的等效电路为图4,此时电感电压为：二7根据小扰动近似得：)k炉(4)根据以上分析知，当开关器件位于1位置时，电感的电压值为常数%-,当开关器件位于2位置时，电感的电压值为常数1-0
8、故Buck电路稳态电感电压波形为下图5:fXDqXDTs1j.ijil图5Buck电路稳态电感电压波形再根据电感上的伏秒平衡原理可得:(yg炉).DT3+(-IQ(1-D)TS=0(5)代入参数可得:占空比D=0.2根据电感公式知:%。)以=F在电路导通时有:叫3_0UdtLL对应关断时为:diV=L(6)(8)(9)根据式7和8,结合几何知识可推导出电流的峰峰值为:(10)(11)其中削，是指扰动电流，即:&1皿L2L通常扰动电流M值是满载时输出平均电流I的10%20%,扰动电流。根据式8可以得出:值要求尽可能的小。在本次设计中选取66.68UH。则可选取电感值为：L=300uH由于电容电压
9、的扰动来自于电感电流的扰动，不能被忽略，因此在本Buck电路中小扰动近似原理不再适用，否则输出电压扰动值为零，无法计算出滤波电容值。而电容电压的变化与电容电流波形正半部分总电荷电量q有关，根据电量公式。S可以得：q=C(2Av)(12)电容上的电量等于两个过零点间电流波形的积分(电流等于电量的变化率)，在改电路中，总电量去q可以表示为：1/叫+D兀&通q-/人2=(13)将式12代入式13中可得输出电压峰值Ai为：Av=_-8C(14)再将式10代入式14中可得：(1-0)2Av=-T16LC(15)根据设计中参数设定电压纹波为2%,即外”，代入式15中可得：因此选取电容值为C=300uF。故
10、电路参数为：占空比D=0.2,L=300uH,C=300uF。3.2交流小信号等效模型建立根据定义，分别列出电感电流和电容电压的表达式。在图3对应状态时:v(t)4。=0一一(#)3在图4对应状态时:利用电感与电容的相关知识可以得出:化简得:%=3K(t)以力=妙)-(17)(18)根据上式建立建立交流小信号等效模型，如图6:dY(t)TsW-T拱(t)=L-在稳态工作点(V,I)处，构造一个交流小信号模型，假设输入电压，和占空比d(t)的低频平均值分别等于其稳态值七D加上一个幅值很小的交流变量,则可代入化简得出:(20)vtir)idit)O-=dt一门R%(t)作二Ts心dYVTsTsdT
11、sL=dtdTs(19);=由+J2(t)s-rK7iAGL-=DV/tVsd(t)-V(t)图6交流小信号等效模型四、控制器设计根据所建立的交流小信号等效模型可知，Buck电路中含有两个独立的交流输入：控制输入变量2。）和给定输入变量，。交流输出电压变量.可以表示成下面两个输入项的叠加，即(21 )%)=6总5沁)+GVff(s)vff(s)式21描述的是（的中的扰动如何通过传递函数&#）传送给输出电压$G）。其中，控制输入传递函数和给定输入传递函数为:(22)(#)已知输入输出传递函数G叩（D和控制输入输出传递函数的标准型如(23)(24)将式23和24进行比较可得:将3.1中计算所得参数
12、D=0.2C=300uFL=300uH 代入式25可得:4=0目Kd=2=3333.Q=2.5依据小信号等效模型的方法，建立可以buck变换器闭环控制系统的小信号等效模型如图7所示图7闭环控制系统的小信号等效模型加国伊)其中，卜内指的是环增益，Ms)代表反馈增益，,抑代表与其比较的三角波的峰值，0代表控制器增益，为虱“)代表buck电路控制输入输出传递函数代入&dO)到t(s)的公式中可得：GQ)H6)v1心)=*VMDss21+(rQlS92dB图8未补偿环增益%。）的幅角特性未补偿环增益的穿越频率大约在770Hz处，其相角裕度为26,67740下面设计一个补偿器，使得穿越频率为九二5相角裕
13、度为50;从图8中可以看出，未补偿环增益在5kH处的幅值为-30.93dB。为使5kHz处环增益等于1,补偿器在5kHz处的增益应该为30.93dB,除此之外，补偿器还应提高相角裕度。由于未补偿环增益在5kHz处的相角在-1800附近，因此，需要一个PD超前补偿器来校正。将九二5kHxj=50代入下式（2-38）中，可计算出补偿器的零点频率和极点频率为:L81小13.7 kHx1 . 11 - sinOh = 1 +(29)为:% = 70 F= 25.4=28.09dB扬(30)因此，PD补偿器的形式为式31 ,对应bode图为图9:Q(s) = G 由一-J1 + - 自-=28.09 s1 +11372571 +86079.64(31 )50r2560Bode Diagram5 0 5 04 4 3 3(mp)4)plm 匚101010
