Buck电路的设计与仿真.docx
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Buck电路的设计与仿真
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1.1~1.2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。
建模：
分别做两种开关频率下的仿真。
Ø工作频率为10kHz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。
直流电压波形：
（稳态直流电压值=4.595V）
直流纹波电压波形：
观察直流电压瞬时值：
输出的稳态直流电压最大值为4.607V，最小值为4.585V，所以得到
。
符合设计要求。
（2）画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。
电流波形：
纹波：
输出的电感电流最大值为0.96A，最小值为0A，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。
占空比改为50%
直流电压波形：
（幅值为9.551V）
输出的稳态直流电压最大值为9.5657V，最小值为9.5502V，所以得到
。
直流电压在趋于稳定前，波动增多。
同时，在稳定时的纹波减小了。
（4）将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型：
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：
电流断续波形：
电流连续波形：
电压波形：
（稳态电压值=6.264V）
输出的稳态直流电压最大值为6.288V，最小值为6.231V，所以得到
。
纹波增大。
大于设计要求。
D2计算：
电流连续：
电流断续：
所以：
，电感变为原来一半。
占空比变为原来的两倍。
Ø工作频率为50kHz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。
直流电压波形：
（稳态直流电压值=4.605V）
直流纹波电压波形：
观察直流电压瞬时值：
输出的稳态直流电压最大值为4.617V，最小值为4.591V，所以得到
。
不符合设计要求。
2）画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。
电流波形：
输出的电感电流最大值为0.86A，最小值为0A，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。
占空比改为50%
直流电压波形：
（幅值为9.551V）
输出的稳态直流电压最大值为9.5680V，最小值为9.5506V，所以得到
。
直流电压在趋于稳定前，波动增多。
同时，在稳定时的纹波减小了。
分析：
可以看出10KHZ和50KHZ相比较，在25%占空比下，50KHZ纹波增大不能满足设计要求了。
在50%占空比的条件下，直流侧稳态电压几乎不变。
纹波也变得更加小，直流侧稳定前的波动也变得小。
在50KHZ下，两种占空比下电压纹波都比较小。
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