基于BUCK电路的电源设计说明.docx
《基于BUCK电路的电源设计说明.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于BUCK电路的电源设计说明.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于BUCK电路的电源设计说明
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：
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4
2.1Buck电路基本原理4
2.2Buck电路设计指标6
三、参数计算及交流小信号等效模型建立6
3.1电路参数计算6
3.2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.17
5.1开环系统仿真17
5.2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，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、Buck电路基本原理和设计指标
2.1Buck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：
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（t）的直流分量可以通过，而抑制Vs（t）的谐波分量通过；电容上输出电压V（t）就是Vs（t）的直流分量再附加微小纹波Vrippie（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Vrippie⑴很小，相对于电容上输出的直流电压V有：
电容上电压宏观上可以看作恒定。
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；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：
出P一』f"A°。
此增量将产生一个平均感应电势：
T
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
2.2Buck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:
图2Buck电路的开关等效图
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:
图4关断时等效电路
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:
=Vff-v（0
根据小扰动近似得:
哂）"厂y
（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：
叫（t）i⑴（3）
根据小扰动近似得：
臥灯"（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-卩。
故Buck电路稳态电感电压波形为下图5:
£—1/妁_1/_
——七
1
DTS
1D兀*
%*
DTS
'D£*
ii
-V
i
-V
k
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:
（Vg-DT5+（-E）*（1-D）TS=0
代入参数可得：
占空比D=0.2
根据电感公式知:
在电路导通时有:
对应关断时为:
（6）
（7）
根据式7和8，结合几何知识可推导出电流的峰峰值为:
（9）
其中是指扰动电流，即:
（10）
2Ls
通常扰动电流8值是满载时输出平均电流I的10%~20%，扰动电流吆的值要求尽可能的小。
在本次设计中选取加产'冈2。
根据式8可以得出：
代入参数可得：
电感'。
则可选取电感值为：
L=300uH
Buck
由于电容电压的扰动来自于电感电流的扰动，不能被忽略，因此在本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•可以得：
（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:
%"
Av=——
8C
（14）
再将式10代入式14中可得:
（15）
16LCs
根据设计中参数设定电压纹波为2%，即山，代入式
15中可得:
匸*dE，因此选取电容值为C=300uF。
故电路参数为：
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:
c（O=Kt）--^
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:
人e=-u（o
K（t）
（17）
根据上式建立建立交流小信号等效模型，如图6:
，则可代入化简得出:
（20）
JK~7
L^-=DV/t^Vsd（t）-V（t）丿做）沙心）
C=i（t）
dtR
^（0=+曲（0
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
成下面两个输入项的叠加，即
（21）
式21描述的是’中的扰动如何通过传递函数1%点冷传送给输出电压
讽可。
其中，控制输入传递函数和给定输入传递函数为:
（23）
（24）
下:
犒⑸=叫—A-y
"瓦+石
皿=心T
1+—（—）QSq%
将式23和24进行比较可得:
将3.1中计算所得参数D=0.2,C=300uF,L=300uH代入式25可得:
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
心讥⑸％⑸H⑸伕）
其中，指的是环增益，肠代表反馈增益，'凶代
表与其比较的三角波的峰值，金㈤代表控制器增益，皿）代表buck电路控制输入输出传递函数
代入&加到T（s）的公式中可得:
（26）
根据参数设定电压为5V，选出H（s）=1，令6G）1，5勺，则未经过
其中，直流增益为:
HV
（27）
（28）
BodeDiagram
1
4
1
：
|
1
~1~
4
U
1
a
iii[rm
iiiw・■■
iii■i■■
1111111
11iiiii
I111
4411
1■11
i~i
n1
11
14
1il
1J
II
•
I
I
rT^
i
■
■
j
4
Hl
II
1
4
V
I
1911
iai«i■iiIII!
ilia
11
・1
■I
11
ii
■r-
〜r
T-
f$訝■■■
1■
匸
■厂.-■■■
r
r-
1
1
i
I
|1III
I
il
11
Ki
1
■
J
1
i
i
i
i
i
4
i
i
l!
1ih1ft
1
1
11
l<
■
4
i
i
ii
b
1
：
i
j
i
!
ij■■■
j
u
11
i?
■
St
■
il
'■
i
i
j
■
i
4
4
i
1
14h■li
4
d
11
14
N
4
i
i
4
b
i
1
11
i
1
iiiia
■
■
11
1J
I
■
I
i
i
1
a
i
■■L■』
■k
.J>.
丄丄JL■!
』■■■
■■■J…
L■J.
丄&
Jn
亠■
..L一
■L
1
L
■I.
Ik
L_
I
j
i
i
ijiii
J
3
11
1il
■
-
H
I
i
i
J
a
i
4
4
i
1
14P1li
>1
11
14
•
*、
j
4
I
l
4
P
I
：
|
il
i
i
1■III
l
I
ii
1u
i
■
'■
i
i
»
■
i
i|
1
1
1
11111
|
i
11
11
■
■
*■
1
1
1
1
1
1
1
1
1
iiiii
1
J
11
11
1
■
9
1
1
1
1
I
■1
t
I
1
I■s■P
■I
a
11
Id
1
■
i
!
I
■
p
I
-r-
■■T■J
-『
14
TT1"I■--
…■r八
・r・
-「1--I"
十r
1-
-r----■
-r-
¥
r
r
1
1
|
|
11III
i
i
|1
ii
|
■
i
1
1
M.
i
1
i
1
1
il
I
1
1Ii1I
1
q
I1
ii
h
■
1
i
1
、
1
i
1
j
il
i
|
itiia
n
3
ii
ij
■
■
il
1
r
X
a
i
4
fl
i
1
1>1h1ii
>1
4
11
14
k
h
4
1
i
?
j
4.
1
1
1
1
1III!
1
1
11
in
ii
1
1
t
1
i
1
H
1
j
j
I
iiJ«s
j
ij
ji
L
[
4
i
1
I
j
20
U
*2G
30
建0
0
-M
135
-1-80
221S
1Q1QW10
Frequencyfrad/sj
图8未补偿环增益心。
）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…。
下面
设计一个补偿器，使得穿越频率为=5kH/，相角裕度为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-附近，因此，需要一个PD超前补偿器来校正。
将fc=5kH\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:
为了使补偿器在5kHz处的增益为沁换,低频段补偿器的增益一定为：
70I—=25,4=>28.O9d£?
（30）
J，P
因此，PD补偿器的形式为式31，对应bode图为图9:
1+±
S
1+
1137257
忑⑸—备£-
•3
28.09一
V
1+
1+
86079.64
（31）
图9PD补偿器传递函数幅角特性
此时，带PD补偿控制器的环增益变为:
s
1+—
『⑸=~~1
（1+—）（1+—+（—）2）
（32）
叫Q%叫
补偿后的环增益图如图10,可以看出穿越频率为5khz，其所对应的相角
裕度为。
因此，系统中的扰动变量在相角裕度的作用下，对系统没有影响
或者说影响很小。
还可以得出，环增益的直流幅值为曲4二二f
图10补偿后的环增益幅角特性
将补偿前后的bode图对比如图11:
图11补偿前后对比图
五、Matlab电路仿真
5.1开环系统仿真
根据参数设定：
L=300uH,C=300uF,D=0.2,R=2.5Q,开关频率
f=100kHz。
开环仿真电路图如图12:
图12开环仿真电路图
仿真结果如图13所示，输出电压为5V，电压纹波为0.018
图14开环输出波形
对应的纹波如图15所示:
图15开环纹波波形
闭环仿真电路图如图16:
图16闭环仿真电路图
仿真结果如图17所示，输出电压为5V，纹波为0.016
图17闭环输出波形
对应的纹波如图18所示:
图18闭环纹波波形
通过对比可知，闭环系统的调节时间得到明显的减小，纹波有一定的改善,超调量基本没有变化。
闭环的PWM波形如图19所示：
图19闭环PWM波形
六、设计总结
本次电源设计在Buck电路原理的基础上建立了小信号等效电路模型，并通过控制器的设计，以及使用MATLAB/Simulink对电路进行仿真，基本实现了预定目标，并有效地缩短了调节时间和纹波。
本次设计中采用的原理、知识点是对《现代电源设计》课程所学知识的有效运用和巩固，对Buck电路的了解进一步加深，初步掌握了设计电源的基本方法和步骤，达到了学以致用的目的。
升级会员 