(最新整理)基于BUCK電路的電源設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、(完整)基于buck電路的電源設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)(完整)基于buck電路的電源設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 編輯整理：尊敬的讀者朋友們：這里是精品文檔編輯中心，本文檔內(nèi)容是由我和我的同事精心編輯整理后發(fā)布的，發(fā)布之前我們對(duì)文中內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)校對(duì)，但是難免會(huì)有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)基于buck電路的電源設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)）的內(nèi)容能夠給您的工作和學(xué)習(xí)帶來(lái)便利。同時(shí)也真誠(chéng)的希望收到您的建議和反饋，這將是我們進(jìn)步的源泉，前進(jìn)的動(dòng)力。本文可編輯可修改，如果覺得對(duì)您有幫助請(qǐng)收藏以便隨時(shí)查閱，最后祝您生活愉快 業(yè)績(jī)進(jìn)步，以下為(完整)基于buck電路的電源設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容。 現(xiàn)代電源技術(shù)基于buck電路的電源設(shè)計(jì) 學(xué)

2、院：專 業(yè)：姓 名：班 級(jí):學(xué) 號(hào):指導(dǎo)教師：日 期：目錄摘要2一、設(shè)計(jì)意義及目的3二、buck電路基本原理和設(shè)計(jì)指標(biāo)32。1 buck電路基本原理32。2 buck電路設(shè)計(jì)指標(biāo)5三、參數(shù)計(jì)算及交流小信號(hào)等效模型建立53。1 電路參數(shù)計(jì)算53。2 交流小信號(hào)等效模型建立9四、控制器設(shè)計(jì)10五、matlab電路仿真165。1 開環(huán)系統(tǒng)仿真165。2 閉環(huán)系統(tǒng)仿真17六、設(shè)計(jì)總結(jié)20摘要buck電路是dcdc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(guò)交流小信號(hào)模型的建立和控制器的設(shè)計(jì)，成功地

3、設(shè)計(jì)了buck電路開關(guān)電源，通過(guò)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(guò)此次設(shè)計(jì)，對(duì)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（acdc），直流變交流（dc-ac），直流變直流(dc-dc)，交流變交流（acac）。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(guò)直接直流變流電路和間接直流變流

4、電路.直接直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(hào)模型及控制器設(shè)計(jì)原理的目的。這些知識(shí)均是線代電源設(shè)計(jì)課程中所學(xué)核心知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，將有效鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，并加深理解。二、buck電路基本原理和設(shè)計(jì)指標(biāo)2。1

5、buck電路基本原理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：圖1 buck電路基本結(jié)構(gòu)圖在上圖所示電路中，電感l(wèi)和電容c組成低通濾波器，此濾波器設(shè)計(jì)的原則是使vs（t)的直流分量可以通過(guò)，而抑制vs（t）的諧波分量通過(guò)；電容上輸出電壓 v（t）就是vs（t)的直流分量再附加微小紋波vripple（t)。由于電路工作頻率很高,一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容充 放電引起的紋波vripple（t）很小，相對(duì)于電容上輸出的直流電壓v有:。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

6、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(guò)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(guò)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(guò)程是電容上電壓調(diào)整的過(guò)渡過(guò)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(chǔ)能；而當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，

7、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：。此增量將產(chǎn)生一個(gè)平均感應(yīng)電勢(shì)：.此電勢(shì)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。2.2 buck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：100khz電流擾動(dòng)：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(jì)算及交流小信號(hào)等效模型建立3。1 電路

8、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2 buck電路的開關(guān)等效圖buck有兩種工作狀態(tài),通過(guò)對(duì)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(duì)應(yīng)的等效電路圖如圖3、4所示:圖3 導(dǎo)通時(shí)等效電路圖4 關(guān)斷時(shí)等效電路開關(guān)處于1位置時(shí),對(duì)應(yīng)的等效電路為圖3，此時(shí)電感電壓為： （1）根據(jù)小擾動(dòng)近似得: （2）同理，開關(guān)處于2位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的等效電路為圖4，此時(shí)電感電壓為： (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)，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buck電路穩(wěn)態(tài)電感電壓波形為

9、下圖5：圖5 buck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(dǎo)通時(shí)有: （7）對(duì)應(yīng)關(guān)斷時(shí)為： （8）根據(jù)式7和8，結(jié)合幾何知識(shí)可推導(dǎo)出電流的峰峰值為： （9）其中是指擾動(dòng)電流，即： （10）通常擾動(dòng)電流值是滿載時(shí)輸出平均電流i的1020，擾動(dòng)電流的值要求盡可能的小。在本次設(shè)計(jì)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(dòng)來(lái)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)近似原理不再適用，否則輸出電壓擾動(dòng)值為零，無(wú)法計(jì)算出濾波電容值。而電容

10、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)電量公式可以得： (12)電容上的電量等于兩個(gè)過(guò)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為： (14)再將式10代入式14中可得： (15）根據(jù)設(shè)計(jì)中參數(shù)設(shè)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。故電路參數(shù)為:占空比d=0.2,l=300uh，c=300uf。3.2 交流小信號(hào)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(duì)應(yīng)狀態(tài)時(shí)： (16）在圖4對(duì)應(yīng)狀態(tài)時(shí)： （17）利用電感與電容的相關(guān)知識(shí)可以得出：

11、（18）化簡(jiǎn)得: (19）在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)（v，i)處，構(gòu)造一個(gè)交流小信號(hào)模型，假設(shè)輸入電壓和占空比的低頻平均值分別等于其穩(wěn)態(tài)值、d加上一個(gè)幅值很小的交流變量、,則可代入化簡(jiǎn)得出： （20)根據(jù)上式建立建立交流小信號(hào)等效模型，如圖6:圖6 交流小信號(hào)等效模型四、控制器設(shè)計(jì)根據(jù)所建立的交流小信號(hào)等效模型可知，buck電路中含有兩個(gè)獨(dú)立的交流輸入：控制輸入變量和給定輸入變量.交流輸出電壓變量可以表示成下面兩個(gè)輸入項(xiàng)的疊加，即 (21）式21描述的是中的擾動(dòng)如何通過(guò)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)和控制輸入輸出傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)型如下： （2

12、3） （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： 依據(jù)小信號(hào)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(hào)等效模型如圖7所示.圖7 閉環(huán)控制系統(tǒng)的小信號(hào)等效模型其中，指的是環(huán)增益，代表反饋增益，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： （26）根據(jù)參數(shù)設(shè)定電壓為5v,選出h（s)=1，令，則未經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)沫h(huán)增益為，對(duì)應(yīng)bode圖如圖8所示，式26可改寫為： (27）其中,直流增益為： (28)圖8 未補(bǔ)償環(huán)增益的幅角特性未補(bǔ)償環(huán)增益

13、的穿越頻率大約在770hz處，其相角裕度為。下面設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償器，使得穿越頻率為,相角裕度為。從圖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處的相角在附近，因此，需要一個(gè)pd超前補(bǔ)償器來(lái)校正。將,代入下式（238)中,可計(jì)算出補(bǔ)償器的零點(diǎn)頻率和極點(diǎn)頻率為： (29)為了使補(bǔ)償器在5khz處的增益為,低頻段補(bǔ)償器的增益一定為： (30）因此,pd補(bǔ)償器的形式為式31，對(duì)應(yīng)bode圖為圖9： （31）圖9 pd補(bǔ)償器傳遞函數(shù)幅角特性此時(shí)，帶pd補(bǔ)償

14、控制器的環(huán)增益變?yōu)? （32)補(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(duì)應(yīng)的相角裕度為。因此，系統(tǒng)中的擾動(dòng)變量在相角裕度的作用下，對(duì)系統(tǒng)沒有影響或者說(shuō)影響很小。還可以得出，環(huán)增益的直流幅值為.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(duì)比如圖11:圖11 補(bǔ)償前后對(duì)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=2.5，開關(guān)頻率f=100khz.開環(huán)仿真電路圖如圖12：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.圖14 開環(huán)輸出波形對(duì)應(yīng)的紋波如圖15所示：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：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(duì)應(yīng)的紋波如圖18所示：圖18 閉環(huán)紋波波形通過(guò)對(duì)比可知，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間得到明顯的減小，