基于BUCK電路的電源設計(DOC)

1、現(xiàn)代電源技術基于 BUCK 電路的電源設計學 專 姓 班 學 日 目錄摘要Buck電路是DC-DC電路中一種重要的基本電路，具有體積小、效率高的優(yōu)點。本次設計采用Buck電路作為主電路進行開關電源設計，根據(jù)伏秒平衡、功地設計了Buck電路開關電源，通過MATLAB/Simulink進行仿真達到了預設的復習與鞏固，并初步掌握了開關電源的設計方法，為以后的學習奠定基礎。關鍵詞：開關電源設計 Buck電路一、設計意義及目的足要求，因此需要進行電力變換。常用的電力變換分為四大類，即：交流變直流其中DC-DC電路。其中最基本的一種電路就是Buck電路。因此，本文選用Buck電路作為主電路進行電源設計，以

2、達到熟悉開關電源基本原理，熟悉伏秒平衡、安秒平衡、小擾動近似等原理，熟練的運用開關電源直流變壓器等效模型，熟悉開關電源的交流小信號模型及控制器設計原理的目的。這些知識均是線代電源設計課程中所學核心知識點，通過本次設計，將有效鞏固課堂所學知識，并加深理解。二、Buck電路基本原理和設計指標2.1 Buck電路基本原理Buck載等。其基本結構如圖1 所示：1圖1Buck電路基本結構圖L和電容C是使VVssV(t)就是V(t)的直流分量再附加微小紋波V (t)。由于電路工作頻率很高，ripples一個開關周期內(nèi)電容充 放電引起的紋波 V (t)很小，相對于電容上輸出的直ripple流電壓V有：。電容

3、上電壓宏觀上可以看作恒定。電路穩(wěn)態(tài)是恒定直流，這就是開關電路穩(wěn)態(tài)分析中的小擾動近似原理。也達到平衡。當開關管導通時，電感電流增加，電感儲能；而當開關管關斷時，電感電流鏈增量為：。此增量將產(chǎn)生一個平均感應電勢：。1零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。2.2 Buck電路設計指標基于如上電路基本原理，設定如下指標：輸入電壓：25v輸出電壓：5v輸出功率：10W開關頻率：100KHz電流擾動：15%電壓紋波：0.02根據(jù)上述參數(shù)可知：R=2.5三、參數(shù)計算及交流小信號等效模型建立3.1 電路參數(shù)計算根據(jù)如圖2所示Buck電路開關等效圖可知：圖2 Buck電路的開關等效圖1Buck 有兩種工作狀態(tài)，通過對開關

4、管導通與關斷時（即開關處于 1 時和 2路圖如圖 3、4 所示：圖3 圖 4 關斷時等效電路開關處于 1 位置時，對應的等效電路為圖 3，此時電感電壓為：（1）根據(jù)小擾動近似得：（2）同理，開關處于 2 位置時，對應的等效電路為圖 4，此時電感電壓為：（3）根據(jù)小擾動近似得：（4）根據(jù)以上分析知，當開關器件位于 1 位置時，電感的電壓值為常數(shù)，1當開關器件位于2 Buck電路穩(wěn)態(tài)電感電壓波形為下圖5：圖5Buck電路穩(wěn)態(tài)電感電壓波形再根據(jù)電感上的伏秒平衡原理可得：（5）代入?yún)?shù)可得：占空比D=0.2。根據(jù)電感公式知：（6）在電路導通時有：（7）對應關斷時為：（8）1根據(jù)式 7 和 8，結合幾何

5、知識可推導出電流的峰峰值為：（9）其中 是指擾動電流，即：（10）通常擾動電流 值是滿載時輸出平均電流 I 的 10%20%，擾動電流 的值要求盡可能的小。在本次設計中選取。根據(jù)式 8 可以得出：（11）代入?yún)?shù)可得：電感。則可選取電感值為：L=300uH。由于電容電壓的擾動來自于電感電流的擾動，不能被忽略，因此在本 Buck q 公式可以得：（12）在改電路中，總電量去 q 可以表示為：（13）將式 12 代入式 13 中可得輸出電壓峰值 為：再將式 10 代入式 14 中可得：（14）（15）1根據(jù)設計中參數(shù)設定電壓紋波為 2%，即，代入式 15 中可得：，因此選取電容值為 C=300uF

6、。故電路參數(shù)為：占空比 D=0.2，L=300uH，C=300uF。3.2 交流小信號等效模型建立根據(jù)定義，分別列出電感電流和電容電壓的表達式。在圖 3 對應狀態(tài)時：（16）在圖 4 對應狀態(tài)時：（17）（18）利用電感與電容的相關知識可以得出：化簡得：（19）和占在穩(wěn)態(tài)工作點(V,I) 處，構造一個交流小信號模型，假設輸入電壓空比的低頻平均值分別等于其穩(wěn)態(tài)值 、D 加上一個幅值很小的交流變量，則可代入化簡得出：、1根據(jù)上式建立建立交流小信號等效模型，如圖 6：圖 6 交流小信號等效模型四、控制器設計 電路中含有兩個獨立的交流輸和給定輸入變量可以表示成下面兩個輸入項的疊加，即（21）式 21

7、描述的是中的擾動如何通過傳遞函數(shù)傳送給輸出電壓。其中，控制輸入傳遞函數(shù)和給定輸入傳遞函數(shù)為：（22）已知輸入輸出傳遞函數(shù)下：和控制輸入輸出傳遞函數(shù)的標準型如1（23）（24）將式 23 和 24 進行比較可得：（25）將 3.1 中計算所得參數(shù) D=0.2，C=300uF，L=300uH 代入式 25 可得：依據(jù)小信號等效模型的方法，建立可以 buck 變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)的小信號等效模型如圖 7 所示。圖 7 閉環(huán)控制系統(tǒng)的小信號等效模型其中，指的是環(huán)增益，代表反饋增益，1代表與其比較的三角波的峰值，制輸入輸出傳遞函數(shù)。代表控制器增益，代表 buck 電路控代入到 T（s）的公式中可得：（26

8、）根據(jù)參數(shù)設定電壓為 5V，選出 H(s)=1，令，則未經(jīng)過補償?shù)沫h(huán)增益為 ，對應 bode 圖如圖 8 所示，式 26 可改寫為：（27）（28）其中，直流增益為：圖 8 未補償環(huán)增益的幅角特性未補償環(huán)增益的穿越頻率大約在 770Hz 處，其相角裕度為。下面設1 8 中可以看出，未補償環(huán)增益在 5kH 處的幅值為-30.93dB。為使 5kHz 處環(huán)增益等于 1，補償器在 5kHz 處的增益應該為 30.93dB，除此之外，補償器還應提高相角裕度。由于未補償環(huán)增益在 5kHz 處的相角在附近，因此，需要一個PD 超前補償器來校正。將，代入下式（2-38）中，可計算出補償器的零點頻率和極點頻率

9、為：）為了使補償器在 5kHz 處的增益為為：（30）因此，PD 補償器的形式為式 31，對應 bode 圖為圖 9：（31）1圖9 PD補償器傳遞函數(shù)幅角特性此時，帶PD補償控制器的環(huán)增益變?yōu)椋海?2）補償后的環(huán)增益圖如圖10，可以看出穿越頻率為5khz，其所對應的相角裕度為 。因此，系統(tǒng)中的擾動變量在相角裕度的作用下，對系統(tǒng)沒有影響或者說影響很小。還可以得出，環(huán)增益的直流幅值為。1圖 10 補償后的環(huán)增益幅角特性將補償前后的 bode 圖對比如圖 11：圖 11 補償前后對比圖1五、Matlab 電路仿真5.1 開環(huán)系統(tǒng)仿真開環(huán)仿真電路圖如圖 12：。f=100kHz圖 12 開環(huán)仿真電路圖仿真結果如圖 13 所示，輸出電壓為 5V，電壓紋波為 0.018。圖 14 開環(huán)輸出波形對應的紋波如圖 15 所示：1圖 15 開環(huán)紋波波形5.2 閉環(huán)系統(tǒng)仿真閉環(huán)仿真電路圖如圖 16：1圖 16 閉環(huán)仿真電路圖仿真結果如圖 17 所示，輸出電壓為 5V，紋波為 0.016。1圖 17 閉環(huán)輸出波形對應的紋波如圖 18 所示：圖 通過對比可知，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間得到明顯的減小，紋波有一定的改善，超調(diào)量基本沒有變化。閉環(huán)的 PWM 波形如圖 19 所示：1圖 19 閉環(huán) PWM 波形六、設計總結本