BUCK电路的课程设计.doc

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： 目录摘要一、设计意义及目的二、Buck电路基本原理和设计指标2.1 Buck电路基本原理 .2.2 Buck电路设计指标 .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 .3.2 交流小信号等效模型建立 .四、控制器设计 .五、Matlab电路仿真 .5.1 开环系统仿真 .5.2 闭环系统仿真 .六、设计总结 . 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，将有效固巩课堂所学知识，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： 图1 Buck电路基本结构图。电容上电压宏观上可以看作恒定。 电路稳态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。此增量将产生一个平均感应电势： 图2 Buck电路的开关等效图 图3 导通时等效电路 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：（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 ， （5）代入参数可得：（8） 其中 是指扰动电流，即：（14）（15） ，代入式 15 中可得：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化简得：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： 根据上式建立建立交流小信号等效模型，如图6：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： 指的是环增益， 代表反馈增益， 根据参数设定电压为 5V，选出 H(s)=1，令， ，则未经过补未补偿环增益的穿越频率大约在770Hz处，其相角裕度为。下面设 代入下式（2-38）中，可计算出补偿器的零点频率 （29），低频段补偿器的增益一定因此，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补偿控制器的环增益变为：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 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14 开环输出波形对应的纹波如图15所示： 图15 开环纹波波形5.2 闭环系统仿真闭环仿真电路图如图16： 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。