题目Buck电路的设计与仿真.docx

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题目Buck电路的设计与仿真

题目：

Buck电路的设计与仿真

1、Buck电路设计：

设计一降压变换器，输入电压为20V，输出电压5V，要求纹波电压为输出电压的0.5％，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz和50kHz时所需的电感、电容。

比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。

解：

（1）工作频率为10kHz时，

A.主开关管可使用MOSFET，开关频率为10kHz；

B.输入20V，输出5V，可确定占空比Dc=25%；

C.根据如下公式选择电感

这个值是电感电流连续与否的临界值，L>则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为；

D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值

=

（2）工作频率为50kHz时，

A.主开关管可使用MOSFET，开关频率为50kHz；

B.输入20V，输出5V，可确定占空比Dc=25%；

C.根据如下公式选择电感

这个值是电感电流连续与否的临界值，L>Lc则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为；

D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值

=

分析：

在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n倍，则电感值减小为1/n，电容值也减小到1/n。

从上面推导中也得出这个结论。

2、Buck电路仿真：

利用simpowersystems中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。

输入电压为20V的直流电压源，开关管选MOSFET模块（参数默认），用PulseGenerator模块产生脉冲驱动开关管。

分别做两种开关频率下的仿真。

（一）开关频率为10Hz时；

（1）使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。

由第一步理论计算得占空比Dc=25%；

实验仿真模型如下所示（稳态直流电压值为4.299V）：

直流电压整体波形如下所示：

细微波形如下所示：

计算稳态直流纹波电压：

利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“VariableEditor–buck.signals（1,4）.values”下，观察直流电压瞬时值：

通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为4.308628V，最小值为4.286866V，所以得到。

仿真结果与理论值基本相同。

（2）画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。

电感电流波形如下所示：

计算电流波动值：

利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“VariableEditor–buck.signals（1,3）.values”下，观察电感电流瞬时值：

通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8390A，最小值为0.0076A，所以得到。

理论计算如下所示：

仿真结果与理论值基本相同。

（3）修改占空比，观察直流电压值的变化。

A．占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.418V；

B．占空比Dc=50%时，直流电压的波形值如下所示，大小为9.589V；

C．占空比Dc=70%时，直流电压的波形值如下所示，大小为13.95V；

分析：

；；.

随着占空比的增加，由公式，可知输出电压值逐渐增加。

（4）将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型（只仿真开关频率10k时的情况，使用理论计算的占空比）：

记录电感电流波形，观察不连续电流的波形；记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，与理论公式对比，并与同一占空比下电流连续时的直流电压值进行比较；计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较（需根据电流波形计算D2的大小）。

电感电流波形如下所示（电流出现断续）：

从上图中可以读到，，，，得到，；

直流电压波形如下所示（稳态直流电压值为6.462V）：

从上图中可以读到，；

在同一占空比下连续电流时，直流电压值为4.298V；由连续电流和断续电流下的电压值相比较，可以看到连续电流下的直流电压值较小，断续时的直流电压值较大。

理论公式如下：

其中，，

；

可见实验测量值与理论计算值基本相近。

理论计算稳态直流纹波电压：

可见与仿真中得到的0.065V相近。

（二）开关频率为50Hz时；

（1）使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。

由第一步理论计算得占空比Dc=25%；

实验记录稳态直流电压值为4.396V；

直流电压波形如下所示：

计算稳态直流纹波电压：

利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“VariableEditor–buck.signals（1,4）.values”下，观察直流电压瞬时值：

通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为4.405408V，最小值为4.383011V，所以得到。

仿真结果与理论值基本相同。

（2）画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。

电感电流波形如下所示：

计算电流波动值：

利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“VariableEditor–buck.signals（1,3）.values”下，观察电感电流瞬时值：

通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8723A，最小值为0.0100A，所以得到。

理论计算如下所示：

仿真结果与理论值基本相同。

（3）修改占空比，观察直流电压值的变化。

A．占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.456V；

B．占空比Dc=50%时，直流电压的波形值如下所示，大小为9.579V；

C．占空比Dc=70%时，直流电压的波形值如下所示，大小为13.68V；

分析：

；；.

随着占空比的增加，由公式，可知输出电压值逐渐增加。

2010.05.29

附加

　电源网讯

　　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。

　　图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM（Pulsewidthmodulation脉宽调制）信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy=Ton/Ts。

　　Boost变换器：

也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。

　　开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。

电感Lf在输入侧，称为升压电感。

Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式

　　Buck/Boost变换器：

也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。

Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。

　　Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式。

　　LDO的特点：

　　①非常低的输入输出电压差

　　②非常小的内部损耗

　　③很小的温度漂移

　　④很高的输出电压稳定度

　　⑤很好的负载和线性调整率

　　⑥很宽的工作温度范围

　　⑦较宽的输入电压范围

　　⑧外围电路非常简单，使用起来极为方便

　　DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。

其具体的电路由以下几类：

（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。

（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。

　　（3）Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

　　（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。

　　DC-DC分为BUCK、BUOOST、BUCK-BOOST三类DC-DC。

其中BUCK型DC-DC只能降压，降压公式：

Vo=Vi*D

　　BOOST型DC-DC只能升压，升压公式：

Vo=Vi/（1-D）

　　BUCK-BOOST型DC-DC，即可升压也可降压，公式：

Vo=（-Vi）*D/（1-D）

　　D为充电占空比，既MOSFET导通时间。

0

　　开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

　　因开关电源工作效率高，一般可达到80％以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：

Is=KIf式中：

Is—开关电源的额定输出电流；If—用电设备的最大吸收电流；K—裕量系数，一般取1.5～1.8；

　　电容式开关电源

　　它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。

其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数（0.5,2或3）倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。

这种特别的调制过程可以保证高达80％的效率，而且只需外接陶瓷电容。

由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI（电磁干扰）

　　首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。

附加2

1引言

目前，电力电子整流装置在生产生活中应用越来越广，特别是计算机和家用电器中大量使用开关电源使得电力网输入侧波型畸变，功率因数降低。

因而使用带功率因数校正的开关电源对于电网的谐波治理和提高供电质量有很重要的意义。

传统的整流装置使用电桥整流加大的电容滤波使得交流侧输入电流为一尖峰电流，这是使交流侧输入功率因数降低的主要原因（如图1）。

因此改变电路结构以使输入侧电流跟随输入电压就可以改善功率因数。

现在双级PFC（PowerFactorCorrection）的应用已经很成熟，它采用BOOST变换器作为前级PFC主电路，它的优点在于可以做到功率因数近似为1，但它控制复杂，成本高，适合用于中等功率的电源。

对于中小功率的PFC控制最简、性能可靠、功率因数高成了设计者追求的目标。

一般中小功率采用单级（SingleStage）PFC。

近年来国内外许多文章对单级PFC做了大量研究，提出了很多实现方案。

单级PFC可以采用BUCK-BOOST电路来实现，同时采用反激变换器（flybackconventer）隔离。

2BUCK-BOOST变换器实现APFC的原理

BUCK-BOOST变换器是升降压型电路，它使得输入端电压不必低于Vc，同时易于实现反激变换（flybackconverter）。

电路工作于DCM模式，这样可以获得高功率因数和稳定快速的调节输出（文献1已有论述）。

电路图如图2所示，假设负载为一电阻Rload，S为开关。

BUCK-BOOST变换器有两种工作状态如图3。

（a）开关S导通，电源加到L上，负载由C供电。

L上电压为Vg，L上的电流线性增加。

（b）开关S断开，电感上的能量向Rload释放，电感电流减小到0。

电感上的电压为Vdc。

设工频交流电压为Vm（t）=Vpsin（ωt）

（1）

其