1、現(xiàn)代電源技術(shù)基于BUCK電路的電源設(shè)計(jì)學(xué)院:專業(yè):姓名:班級:學(xué)號:指導(dǎo)教師:日期:目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 摘要3 HYPERLINK l bookmark8 一、設(shè)計(jì)意義及目的4 HYPERLINK l bookmark10 二、Buck電路基本原理和設(shè)計(jì)指標(biāo)4 HYPERLINK l bookmark12 Buck電路基本原理4 HYPERLINK l bookmark14 Buck電路設(shè)計(jì)扌旨標(biāo)6 HYPERLINK l bookmark16 三、參數(shù)計(jì)算及交流小信號等效模型建立6 HYPERLINK l bookmark18 電路參數(shù)

2、計(jì)算6 HYPERLINK l bookmark26 交流小信號等效模型建立10 HYPERLINK l bookmark40 四、控制器設(shè)計(jì)11五、Matlab電路仿真17 HYPERLINK l bookmark52 開環(huán)系統(tǒng)仿真17 HYPERLINK l bookmark54 閉環(huán)系統(tǒng)仿真18 HYPERLINK l bookmark56 六、設(shè)計(jì)總結(jié)21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(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用Buck電路作為主電路進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)，根據(jù)伏秒平衡、安秒平衡、小擾動(dòng)近似等原理，通過交流小信號模型的建立和控制器的設(shè)計(jì)，成功地設(shè)計(jì)了Buck

3、電路開關(guān)電源，通過MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真達(dá)到了預(yù)設(shè)的參數(shù)要求，并有效地縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間和紋波。通過此次設(shè)計(jì)，對所學(xué)課程的有效復(fù)習(xí)與鞏固，并初步掌握了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，為以后的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源設(shè)計(jì)Buck電路一、設(shè)計(jì)意義及目的通常所用電力分為直流和交流兩種，從這些電源得到的電力往往不能直接滿足要求，因此需要進(jìn)行電力變換。常用的電力變換分為四大類，即：交流變直流（AC-DC）,直流變交流（DC-AC）,直流變直流（DC-DC）,交流變交流（AC-AC）。其中DC-DC電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包過直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直

4、流變流電路又稱斬波電路，它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，主要包括六種基本斬波電路：Buck電路，Boost電路，Buck-Boost電路，Cuk電路，Sepic電路，Zeta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(jìn)行電源設(shè)計(jì)，以達(dá)到熟悉開關(guān)電源基本原理，熟悉伏秒平衡、安秒平衡、小擾動(dòng)近似等原理，熟練的運(yùn)用開關(guān)電源直流變壓器等效模型，熟悉開關(guān)電源的交流小信號模型及控制器設(shè)計(jì)原理的目的。這些知識均是線代電源設(shè)計(jì)課程中所學(xué)核心知識點(diǎn)，通過本次設(shè)計(jì)，將有效鞏固課堂所學(xué)知識，并加深理解。二、Buck電路基本原理和設(shè)計(jì)指標(biāo)2.1Buck電路基

5、本原理Buck變換器也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，主要用于電力電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：是使v(t)的直流分量可以通過，而抑制v(t)的諧波分量通過；電容上輸出電壓ssV(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，sripple一個(gè)開關(guān)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：|厶神幼機(jī)曲w。電容上電壓宏觀上可以看作恒定。電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小

6、擾動(dòng)近似原理。一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為:亠八二d-二

7、。此增量將產(chǎn)生一個(gè)平均感應(yīng)電勢：二三：此電勢將減小電感電流的上升速度并同時(shí)降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。2.2Buck電路設(shè)計(jì)指標(biāo)基于如上電路基本原理，設(shè)定如下指標(biāo)：輸入電壓：25v輸出電壓：5v輸出功率：10W開關(guān)頻率：lOOKHz電流擾動(dòng)：15%電壓紋波：0.02根據(jù)上述參數(shù)可知：R=2.5Q三、參數(shù)計(jì)算及交流小信號等效模型建立3.1電路參數(shù)計(jì)算根據(jù)如圖2所示Buck電路開關(guān)等效圖可知:圖2Buck電路的開關(guān)等效圖Buc

8、k有兩種工作狀態(tài)，通過對開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)（即開關(guān)處于1時(shí)和2時(shí)）的電路進(jìn)行分析可計(jì)算出電路的電感值。其開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)對應(yīng)的等效電路圖如圖3、4所示：ic(t)L+Vc(t)-v(t)=4=C圖3導(dǎo)通時(shí)等效電路VW圖4關(guān)斷時(shí)等效電路開關(guān)處于1位置時(shí)，對應(yīng)的等效電路為圖3,此時(shí)電感電壓為：TOC o 1-5 h z上:；_?。?）根據(jù)小擾動(dòng)近似得：V（2）同理，開關(guān)處于2位置時(shí)，對應(yīng)的等效電路為圖4,此時(shí)電感電壓為：廠:；二-；：（3）根據(jù)小擾動(dòng)近似得：:（4）根據(jù)以上分析知，當(dāng)開關(guān)器件位于1位置時(shí)，電感的電壓值為常數(shù)T：-，16LC(15)(8)當(dāng)開關(guān)器件位于2位置時(shí)，電感的電壓值為常數(shù)。故

9、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：代入?yún)?shù)可得：根據(jù)電感公式知:在電路導(dǎo)通時(shí)有:對應(yīng)關(guān)斷時(shí)為：(5)占空比D=0.2。dt(6)(7)根據(jù)式7和8,結(jié)合幾何知識可推導(dǎo)出電流的峰峰值為:1工（9）其中二:是指擾動(dòng)電流，即:Ml=(10)通常擾動(dòng)電流值是滿載時(shí)輸出平均電流I的10%20%，擾動(dòng)電流丄：的值要求盡可能的小。在本次設(shè)計(jì)中選取亠二。根據(jù)式8可以得出：va-vL-DT（11）代入?yún)?shù)可得：電感-二疋汽;；九則可選取電感值為：L=300uH。由于電容電壓的擾動(dòng)來自于電感電流的擾動(dòng)，不能被忽略，因此在本Buck電路中小擾動(dòng)近似

10、原理不再適用，否則輸出電壓擾動(dòng)值為零，無法計(jì)算出濾波電容值。而電容電壓的變化與電容電流波形正半部分總電荷電量q有關(guān)，根據(jù)電量公式。二可以得：(12)電容上的電量等于兩個(gè)過零點(diǎn)間電流波形的積分（電流等于電量的變化率）,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二為:(14)再將式10代入式14中可得:根據(jù)設(shè)計(jì)中參數(shù)設(shè)定電壓紋波為2%，即丄飛S代入式15中可得:d；因此選取電容值為C=300uF。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(dá)式。在圖3對應(yīng)狀態(tài)時(shí):=Vg(t)

11、-V(t(16)在圖4對應(yīng)狀態(tài)時(shí):(17)利用電感與電容的相關(guān)知識可以得出:(V如7.-TS出曲=r.drs(18)(19)“N之丟化簡得：dV罟fXVgf)rj%。f腫3(0%rsCSXf、t3=珥0TS在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)(v,i)處，構(gòu)造一個(gè)交流小信號模型，假設(shè)輸入電壓，;-：和占空比二二的低頻平均值分別等于其穩(wěn)態(tài)值二、D加上一個(gè)幅值很小的交流變量y二,則可代入化簡得出:=+c=i（ei（20）St-R（0=+根據(jù)上式建立建立交流小信號等效模型，如圖6：四、控制器設(shè)計(jì)根據(jù)所建立的交流小信號等效模型可知，Buck電路中含有兩個(gè)獨(dú)立的交流輸入：控制輸入變量二和給定輸入變量一3。交流輸出電壓變量二可以

12、表示成下面兩個(gè)輸入項(xiàng)的疊加，即菽（X）二広疋）+q（巧松歸（21）式21描述的是二中的擾動(dòng)如何通過傳遞函數(shù)傳送給輸出電壓二。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)和控制輸入輸出傳遞函數(shù)Ui的標(biāo)準(zhǔn)型如下:2(23)1(24)將式23和24進(jìn)行比較可得:(25)將3.1中計(jì)算所得參數(shù)D=0.2,C=300uF,L=300uH代入式25可得:Kg=0.2Kd=25=3333.3Q=2.5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，廠二；二上：.：；亍;指的是環(huán)增益,*代表反饋增益，V；

13、.代表與其比較的三角波的峰值，代表控制器增益，代表buck電路控制輸入輸出傳遞函數(shù)。代入到T(s)的公式中可得：H上1坯。1+t+C)(26)根據(jù)參數(shù)設(shè)定電壓為5V,選出H(s)=l,令d二二f則未經(jīng)過補(bǔ)償?shù)沫h(huán)增益為：.；，對應(yīng)bode圖如圖8所示，式26可改寫為：(27)其中，直流增益為：HV匚川=6.25=15.92dB(28)20T丄T丄Diagramsssra_i-xo_3Iff104Freeu&ncy(rad/s!1021D5D也圖8未補(bǔ)償環(huán)增益的幅角特性未補(bǔ)償環(huán)增益的穿越頻率大約在770Hz處，其相角裕度為曲心。下面設(shè)(31)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償器，使得穿越頻率為二咲丘,相角裕度為三丁。從圖

14、8中可以看出，未補(bǔ)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(bǔ)償器在5kHz處的增益應(yīng)該為30.93dB，除此之外，補(bǔ)償器還應(yīng)提高相角裕度。由于未補(bǔ)償環(huán)增益在5kHz處的相角在匯附近，因此，需要一個(gè)PD超前補(bǔ)償器來校正。將=匸暑二，=ET代入下式（2-38）中，可計(jì)算出補(bǔ)償器的零點(diǎn)頻率和極點(diǎn)頻率為：=3kHz*11+=137kHz(29)為了使補(bǔ)償器在5kHz處的增益為匯門訂=飛；,低頻段補(bǔ)償器的增益一定為：cD(30)因此，PD補(bǔ)償器的形式為式31，對應(yīng)bode圖為圖9：=28.09L11372.571+86079.64SE尋呈k五W3ij0io2io+104a

15、6io1Frequency(radte)rr-L.pl百/仍一-!圖9PD補(bǔ)償器傳遞函數(shù)幅角特性此時(shí)，帶PD補(bǔ)償控制器的環(huán)增益變?yōu)椋貉a(bǔ)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(yīng)的相角裕度為525.因此，系統(tǒng)中的擾動(dòng)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)增益的直流幅值為二.mu_lll_uBodeDiagram5l-cnaiss.Bud2oo1-H-45-T1a61CFrequency(racife)圖10補(bǔ)償后的環(huán)增益幅角特性將補(bǔ)償前后的bode圖對比如圖11：BodeDiagram50LDF一EipwkiTiz0-50-1001500-45-9

16、0-135-1801C102103101Frequenc.frad/s)圖11補(bǔ)償前后對比圖五、Matlab電路仿真5.1開環(huán)系統(tǒng)仿真根據(jù)參數(shù)設(shè)定：L=300uH,C=300uF,D=0.2,R=2.5Q,開關(guān)頻率f=100kHz。開環(huán)仿真電路圖如圖12：Condnu口LJuaslrsssR圖12開環(huán)仿真電路圖仿真結(jié)果如圖13所示，輸出電壓為5V,電壓紋波為0.018對應(yīng)的紋波如圖15所示:IJcum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：匚onbnuouszpawargulSoop4!McsfetDCVoltageSoureBPula/f|Diedal.HR匚pouringStqLirx遼二1131020.14fin*-1-V137flD；2,l14+14Tr;nc.rFenRalnilcnalCpsralr-亡口mntCorstEntB圖16閉環(huán)仿真電路圖仿真結(jié)果如圖17所示，輸出電壓為5V,紋波為0.016。圖17閉環(huán)輸出波形對應(yīng)的紋波如圖18所示:431ji1111CLEDDSQ0Z1DOZ1S0Q