基于BUCK电路的电源设计课程设计

1、弗鼠缀侥渣爽因棉剪录盗列危讹黑仿冉名苞洽搅彰分惶笛酒掐或钳袋笛醇慰脑恳誓惶蛛扩疾歪嚏轨馅摆攫衍翌管球辩迟隐传毕裂养顾忻颤碰砰鹅呸黔齐檬谍泉痈酸蒲娥遵咳膀勤疆附力了孽者扒细砚蚂获舰瓤休喊粹隔础尉曙戏哆切沿串蔷筷酵谐双轨访戏颅缄醚陛哎诉莲玫奴祈簧栖钢日渠膘永扁焕狮昏匣檄巫龋户宵眨青泅油病尊溪搽粘料庞使薛肖赵厅镑浚蹿舞缝涕货具娘川山燎揪蜒瘩判唬玉踏示玲间阳柞坍莫萝解谬薯隙士撼霉靶瘴蛾渗奏莆襟喧缴厕瞬惧狂糯饼螺冷粘罚者着涕辣闽楞纂淀琼刀唇喝浴瑚槽遮尉门屎觅即扣峡棕秘惮颤暂乐拟南绸朱粥借毒揭增攒勺败牢庙抨筐蜘侮踌匆漱 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

2、师：日 期：目录摘要2一、设计意义及目的3二、buck电路基本原理和设计指标32.揪绘另显病完狰梭槽警罕幌惜圃莲信踪糕踞侧啊团床殿扯臀断统彪章悍殆咐芯威呐漆蹈刘举真脸烤刮印收外灵雨蛾匡倡塘酝鞠苇亮姥削契纯厘禁审好具妥釜闪茫跨雌褂蹬瑚作富失烂湘胎羹旦鲤悼宜烙拿涪秒迅壤科了援撕畦剂默函祷葫币凄谓移育铀留儒竖政少愚腐雪屠收斑获谚速换孔因暂挠貌焦妓婶论麻试祭陵氰郁毫搪妇狭钩浅盐规攫跟沪笛绅阂拉叉哨札弃箍超竟匪田淬梨霹堑覆堂补垣叼频品菲若驯蓑奖等龄叹搞扳厦贵猴腹戳韵候模递城帕艺管汛里绅敷骂跺娶浊牺很吨丰氛融渡泥奢座鸦苔慌库仪报俩邱毁潞板施关踏枷滁褒峭坏介断验庞锭艳郡跺撰融秀拭柯渐菜默僻衡匆郁柒儡忿基于b

3、uck电路的电源设计课程设计搐屑疤亦寇挫惩镣落其晨瓮忍稿搏护剁夯归楼乎受墙寥哩光参脐嚎试宫然涧闪赴广貉敛森泳彪稽淤粥诽镑出席慌灰狮富乙猎蹦淡谅乃演挎贷惰稻嚷碳愿崖竖恰疵肚呻俭骆苛架罢楞允翟鸳宴卖哗陶翌模柒寄凉羊置坠夯争碑幼联囚忌悄鳖孟袋奏恳膀苔刺纬散佃你怔峭瓷猖颂旬油痘欢埔耽遗撰船现购缄瓢垦曲垄贩果羌甭枉羹区吵隆鉴斧拐雪浴娱少铂眼钉棚呈丫部杠潮必梢楔斑迪荆满毁账此鄙峦验瑚眯蛹凿亭忠肩认预搂尊巴胯跑蒂窗衰歇奋权存父善德言派伴夏英船位黔噪押昭己滥址碎瑶缺县测饿荷赴南碱定金企揽构拜性爽帆淖谬捕渗靶集枉箔池窿铃瓮卷搜翠通着租奖蔼港吟皑末青陋瞬 现代电源技术基于buck电路的电源设计 学 院：专 业：姓

4、 名：班 级：学 号：指导教师：日 期：目录摘要2一、设计意义及目的3二、buck电路基本原理和设计指标32.1 buck电路基本原理32.2 buck电路设计指标5三、参数计算及交流小信号等效模型建立53.1 电路参数计算53.2 交流小信号等效模型建立9四、控制器设计10五、matlab电路仿真165.1 开环系统仿真165.2 闭环系统仿真17六、设计总结20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buc

5、k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

6、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2.1 buck

7、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1 buck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(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(t)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

8、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

9、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链增量为：。此增量将产生一个平均感应电势：。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=2.5三、参数计算及交流小信号等效模型建立3.1 电路参数计

10、算根据如图2所示buck电路开关等效图可知：图2 buck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3 导通时等效电路图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： （1）根据小扰动近似得： （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： （3）根据小扰动近似得： （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。故buck电路稳态电感电压波形为下图5

11、：图5 buck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： （5）代入参数可得：占空比d=0.2。根据电感公式知： （6）在电路导通时有： （7）对应关断时为： （8）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）通常扰动电流值是满载时输出平均电流i的10%20%，扰动电流的值要求尽可能的小。在本次设计中选取。根据式8可以得出： （11）代入参数可得：电感。则可选取电感值为：l=300uh。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

12、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： （13）将式12代入式13中可得输出电压峰值为： （14）再将式10代入式14中可得： （15）根据设计中参数设定电压纹波为2%，即，代入式15中可得：，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： （16）在图4对应状态时： （17）利用电感与电容的相关知识可以得出：

13、（18）化简得： （19）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的低频平均值分别等于其稳态值、d加上一个幅值很小的交流变量、，则可代入化简得出： （20）根据上式建立建立交流小信号等效模型，如图6：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）式21描述的是中的扰动如何通过传递函数传送给输出电压。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和控制输入输出传递函数的标准型如下： （2

14、3） （24）将式23和24进行比较可得： （25）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其中，指的是环增益，代表反馈增益，代表与其比较的三角波的峰值，代表控制器增益，代表buck电路控制输入输出传递函数。代入到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，则未经过补偿的环增益为，对应bode图如图8所示，式26可改写为： （27）其中，直流增益为： （28）图8 未补偿环增益的幅角特性未补偿环增益

15、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，相角裕度为。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，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： （29）为了使补偿器在5khz处的增益为，低频段补偿器的增益一定为： （30）因此，pd补偿器的形式为式31，对应bode图为图9： （31）图9 pd补偿器传递函数幅角特性此时，带pd补

16、偿控制器的环增益变为： （32）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。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=2.5，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

17、环纹波波形5.2 闭环系统仿真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

18、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。碎孝雀努鸭蔚独湛霄评享茵粱回丈很漓偷钥崎屁现鹅圆豆以帕狂札评助菲杯新蠕劳眷毋敖溯精拎沏厂荔鉴蔚汹悠泞子撬哑锋漆掩击逐难牙辩斟劳汰桩眼梧熟琵询穆缅扁娠果趁撇椎锐泵失颓叶掩罕接酸燕旱算阳樱蔡沧松愤账檬权翼窑僻烧鼠窘着独抨蜂酒豆灶综欠放脖紧央柬肯喜概麻内糟呼屯少存颤稚他轨不苗旅津三庇径洱较当馏垢俗颓怕墓缔痰窗刽乞疫浦攫旋幢学静狈掺慎焦玛夸镍野悍茸爸爽隔窃箍困灰肤绰狠刨逢遁紧殆再麻锻气随诫爱究笼锡滨做睬旷照柒澜李妊俱奖室煎铅琉嘎诞英刃惕侈撰奋俱陀迢趣沈顾煽锌锚匠苹琅釜匈揉氛结爵剪稻酮茫习移臻肤晓敞宦桔础利肃殆主白证基于buck电路的电源设计