基于BUCK電路的電源設(shè)計(DOC)

1、現(xiàn)代電源技術(shù)基于 BUCK 電路的電源設(shè)計學(xué) 專 姓 班 學(xué) 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(shè)計采用Buck電路作為主電路進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計，根據(jù)伏秒平衡、功地設(shè)計了Buck電路開關(guān)電源，通過MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真達(dá)到了預(yù)設(shè)的復(fù)習(xí)與鞏固，并初步掌握了開關(guān)電源的設(shè)計方法，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 Buck電路一、設(shè)計意義及目的足要求，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(jìn)行電源設(shè)計，以

2、達(dá)到熟悉開關(guān)電源基本原理，熟悉伏秒平衡、安秒平衡、小擾動近似等原理，熟練的運用開關(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)計原理的目的。這些知識均是線代電源設(shè)計課程中所學(xué)核心知識點，通過本次設(shè)計，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)計指標(biāo)2.1 Buck電路基本原理Buck載等。其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示：1圖1Buck電路基本結(jié)構(gòu)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(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：。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(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小擾動近似原理。也達(dá)到平衡。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電感電流鏈增量為：。此增量將產(chǎn)生一個平均感應(yīng)電勢：。1零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。2.2 Buck電路設(shè)計指標(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：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(guān)等效圖可知：圖2 Buck電路的開關(guān)等效圖1Buck 有兩種工作狀態(tài)，通過對開關(guān)

4、管導(dǎo)通與關(guān)斷時（即開關(guān)處于 1 時和 2路圖如圖 3、4 所示：圖3 圖 4 關(guān)斷時等效電路開關(guān)處于 1 位置時，對應(yīng)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(guān)處于 2 位置時，對應(yīng)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(dāng)開關(guān)器件位于 1 位置時，電感的電壓值為常數(shù)，1當(dāng)開關(guān)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(dǎo)通時有：（7）對應(yīng)關(guān)斷時為：（8）1根據(jù)式 7 和 8，結(jié)合幾何

5、知識可推導(dǎo)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(shè)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(shè)計中參數(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

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(dá)式。在圖 3 對應(yīng)狀態(tài)時：（16）在圖 4 對應(yīng)狀態(tài)時：（17）（18）利用電感與電容的相關(guān)知識可以得出：化簡得：（19）和占在穩(wěn)態(tài)工作點(V,I) 處，構(gòu)造一個交流小信號模型，假設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)型如1（23）（24）將式 23 和 24 進(jìn)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(shè)定電壓為 5V，選出 H(s)=1，令，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）（28）其中，直流增益為：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。下面設(shè)1 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PD 超前補(bǔ)償器來校正。將，代入下式（2-38）中，可計算出補(bǔ)償器的零點頻率和極點頻率

9、為：）為了使補(bǔ)償器在 5kHz 處的增益為為：（30）因此，PD 補(bǔ)償器的形式為式 31，對應(yīng) bode 圖為圖 9：（31）1圖9 PD補(bǔ)償器傳遞函數(shù)幅角特性此時，帶PD補(bǔ)償控制器的環(huán)增益變?yōu)椋海?2）補(bǔ)償后的環(huán)增益圖如圖10，可以看出穿越頻率為5khz，其所對應(yīng)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(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：圖 11 補(bǔ)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(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)輸出波形對應(yīng)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(jié)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(yīng)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(shè)計總結(jié)本