基于BUCK电路的电源设计..docx

基于BUCK电路的电源设计. 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： 指导教师： 日期： 目录 摘要 (3) 一、设计意义及目的 (4) 二、Buck电路基本原理和设计指标 (4) 2.1 Buck电路基本原理 (4) 2.2 Buck电路设计指标 (6) 三、参数计算及交流小信号等效模型建立 (6) 3.1 电路参数计算 (6) 3.2 交流小信号等效模型建立 (10) 四、控制器设计 (11) 五、Matlab电路仿真 (17) 5.1 开环系统仿真 (17) 5.2 闭环系统仿真 (18) 六、设计总结 (21) 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Buck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： 1 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V s (t)的直流分量可以通过，而抑制V s (t)的谐波分量通过；电容上输出电压 V(t)就是V s (t)的直流分量再附加微小纹波V ripple (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V ripple (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：。 1 1 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， 1 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： 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） 1 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） 1 1 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： （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： 1 （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：