现代电源技术
基于BUCK电路的电源设计
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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：
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：。
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=2.5Ω
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，
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）
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）
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：
（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：
（23）
（24）将式23和24进行比较可得：
（25）将3.1中计算所得参数D=0.2，C=300uF，L=300uH代入式25可得：
依据小信号等效模型的方法，建立可以buck变换器闭环控制系统的小信号等效模型如图7所示。
图7 闭环控制系统的小信号等效模型
其中，指的是环增益，代表反馈增益，
代表与其比较的三角波的峰值，代表控制器增益，代表buck电路控制输入输出传递函数。
代入到T（s）的公式中可得：
（26）根据参数设定电压为5V，选出H(s)=1，令，，则未经过补偿的环增益为，对应bode图如图8所示，式26可改写为：
（27）其中，直流增益为：
（28）
图8 未补偿环增益的幅角特性
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
计一个补偿器，使得穿越频率为，相角裕度为。从图8中可以看出，未补偿环增益在5kH处的幅值为-30.93dB。为使5kHz处环增益等于1，补偿器在5kHz处的增益应该为30.93dB，除此之外，补偿器还应提高相角裕度。由于未补偿环增益在5kHz处的相角在附近，因此，需要一个PD超前补偿器来校正。将，代入下式（2-38）中，可计算出补偿器的零点频率和极点频率为：
（29）为了使补偿器在5kHz处的增益为，低频段补偿器的增益一定为：
（30）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：
（32）补偿后的环增益图如图10，可以看出穿越频率为5khz，其所对应的相角裕度为。因此，系统中的扰动变量在相角裕度的作用下，对系统没有影响或者说影响很小。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
五、Matlab电路仿真
5.1 开环系统仿真
根据参数设定：L=300uH，C=300uF，D=0.2，R=2.5Ω，开关频率f=100kHz。
开环仿真电路图如图12：
图12 开环仿真电路图
仿真结果如图13所示，输出电压为5V，电压纹波为0.018。
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：
图16 闭环仿真电路图
仿真结果如图17所示，输出电压为5V，纹波为0.016。
图17 闭环输出波形
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：
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 (12) 五、Matlab 电路仿真. (17) 5.1 开环系统仿真 (17) 5.2 闭环系统仿真 (19) 六、设计总结 (23)
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：
BUCK变换器设计报告 一、BUCK变换器原理 降压变换器（Buck Converter）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源。 二、BUCK主电路参数计算及器件选择 1、BUCK变换器的设计方法 利用MATLAB和PSPICE对设计电路进行设计，根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真，再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计，比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等，选取
性能优良的模型进行电路搭建。 2、主电路的设计指标 输入电压：标称直流48V，范围43~53V 输出电压：直流24V，5A 输出电压纹波：100mV 电流纹波：0.25A 开关频率：250kHz 相位裕量：60° 幅值裕量：10dB 3、BUCK主电路 主电路的相关参数： 1=4×10-6s 开关周期：T S= s f 占空比：当输入电压为43V时，D max=0.55814 当输入电压为53V时，D min=0.45283
输出电压：V O =24V 输出电流I O =5A 纹波电流：Δi L =0.25A 纹波电压：ΔV L =100mV 电感量计算：由Δi L = 2L v -V o max -in DT S 得： L=L o max -in i 2v -V ΔD min T S=25 .022453?-×0.4528×4×10-6=1.05×10-4H 电容量计算：由ΔV L =C i L 8ΔT S 得： C=L L V 8i ΔΔT S =1 .0825.0?×4×10-6=1.25×10-6F 而实际中，考虑到能量存储以及输入和负载变化的影响，C 的取值一般要大于该计算值，故取值为120μF 。 实际中，电解电容一般都具有等效串联电阻，因此在选择的过程中要注意此电阻的大小对系统性能的影响。通常钽电容的ESR 在100毫欧姆以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR 甚至高达数欧。ESR 的高低与电容的容量、电压、频率和温度等多因素有关，一般对于等效串联电阻过大的电容，我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。此处取R ESR =50m Ω。 4、主电路的开环传递函数 in ESR ESR V sC R R sL sC R R s d )1//() 1 //()(s V s G O vd +++==）（）（ ) (s )1(C 1)1(s G 2 vd C R R L R R L s V C sR ESR ESR in ESR +++++= ）（
Buck电路的原理分析和参数设计 连续工作状态 一Buck工作原理 将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比例（占空比）来控制输出直流电压的平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电 压。 Q导通： 输入端电源通过开关管Q及电感器L对负载 供电，并同时对电感器L充电。 电感相当于一个恒流源，起传递能量作用 电容相当于恒压源，在电路里起到滤波的作用Q闭合: 电感器L中储存的能量通过续流二极管D形 成的回路，对负载R继续供电，从而保证了 负载端获得连续的电流。 导通时Q的电流 闭合时C的电流 L的电流和输出电流的关系。 输出电压与输入电压的关系
（不考虑损耗） 二 buck 的应用 Buck 为降压开关电路，具有效率高，体积小，功率密度高的特点 1．Buck 的效率 Buck 的损耗：1.交流开关损耗 2.管子导通损耗 3.电感电容等效电阻损耗 Buck 的效率很高，一般可以达到60%以上， 2．Buck 的开关频率 频率越高，功率密度越大，但也同时带来了开关损耗。在25~50KHZ 范围内buck 的体积可随频率的增大而减小。 三．参数的设计 1．电感的参数 电感的选择要满足直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。 在临界不连续工作状态时 2 1 20I I I -= ON O I T I V V L 20 -= ' ON I T L V V I I 0 12-= - 所以L L '≥ L 越大，进入不连续状态时的电流就越小 2．电容的参数 电容的选择必须满足输出纹波的要求。 电容纹波的产生：1. 电容产生的纹波： 相对很小，可以忽略不计 2. 电容等效电感产生的纹波：在300KHZ~500KHZ 以下可以忽略不计 3. 电容等效电阻产生的纹波：与esr 和流过电容电流成正比。为了减小 纹波，就要让esr 尽量的小。 不连续工作状态 （1）开关管Q 导通，电感电流由零增加到最大 （2）开关管Q 关断，二极管D 续流，电感电流从最大降到零； （3）开关管Q 和二极管D 都关断（截止），在此期间电感电流保持为零，负载由输出滤波电容来供电。 损耗输出输出P P p +=η
南京工程学院 自动化学院 电力电子技术课程设计报告 题目： Buck变换电路的设计 专业：自动化 班级：自动化 124 学号： 8 姓名：陈猛 指导教师：赵涛 起迄日期：—— 设计地点：工程中心4-207
目录 1 引言 2 设计任务及要求 设计任务 设计内容 3 设计方案选择及论证 控制芯片的选择 驱动芯片的选择 4 总体电路设计 5 功能电路设计 主电路的设计 驱动电路的设计 控制电路的设计 辅助电源的设计 6 电路仿真与调试 7 设计总结 8 参考文献 BUCK变换电路设计 1 引言 本次电力电子装置设计与制作，利用Buck降压斩波电路，使用
TL494作为控制芯片输出脉冲信号从而控制MOS管的开通与关断。为了将MOS管G极和S极隔离，本设计采用了集成的驱动芯片。另外本设计还加入了反馈环节，利用芯片自身的基准电压与反馈信号进行比较来调节输出脉冲的占空比，进而调整主电路的输出电压维持在一个稳定的电压状态。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路。 2 设计任务及要求 设计任务： 设计一降压斩波电路，采用BUCK电路。输入直流电源：DC18~30V，输出电压为输入电压50%~100%可调：输出额定电流2A，电流峰峰值不大于，输出电压纹波不大与5%。 设计内容： 1）主电路的设计，器件的选型，电感和输出电容的选择； 2）驱动电路、检测电路和保护电路设计； 3）辅助电源设计，要求提供 DC15V 驱动电源和 5V 控制电源； 4）控制电路的设计，不同频率、不同脉宽 PWM 波的实现。 5）制作驱动和主电路； 6）利用提供的控制信号，完成 BUCK 电路的驱动和主电路和调试。 3 设计方案选择及论证 控制芯片的选择 方案一：采用SG3525芯片。它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采
buck电路的原理 降压式变换电路（Buck电路）详解 一、BUCK电路基本结构 开关导通时等效电路开关关断时等效电路 二、等效的电路模型及基本规律 （1）从电路可以看出，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us(t)的直流分量可以通过，而抑制us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压uo(t)就是us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。 （2）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uripple(t) 很小，相对于电容上 输出的直流电压Uo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纹波近似原理。（3）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，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S 置于2位时，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： 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。 这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。 三、电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析
课程名称：电力电子技术 题目：BUCK变换器设计
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目录 第一章概述 (5) 1.1 本课题在国内外的发展现状与趋势 (5) 第二章Buck变换器设计总思路 (6) 2.1 电路的总设计思路 (6) 2.2 电路设计总框图 (6) 2.3 总电路图 (7) 第三章BUCK主电路设计 (8) 3.1 Buck变换器主电路基本工作原理 (8) 3.2 主电路保护（过电压保护） (9) 3.3 Buck变换器工作模态分析 (10) 3.4 Buck变换器元件参数 (12) 3.4.1 占空比D (12) 3.4.2 滤波电容C f (13) 3.5 Buck变换器仿真电路及结果 (14) 第四章控制和驱动电路模块 (15) 4.1 SG3525A脉宽调制器控制电路 (15) 4.1.1．SG3525简介 (15) 4.1.2．SG3525内部结构和工作特性 (15) 4.2 SG3525构成的控制电路单元电路图 (18) 4.3 驱动电路设计 (18) 第五章课程设计总结 (19)
第六章附录 (20) 第七章参考文献 (21) 第一章概述 1.1 本课题在国内外的发展现状与趋势 从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。 有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。因此，其转换效率始终没有突破90%大关。 为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利。它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于 forward电路拓朴的有源箝位。这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内
BUCK电路工作原理分析 测试电路如下图4.5所示，改变驱动信号占空比，观察输入与输出关系。 通道2,输出波形 通道1,驱动波形 (a)BUCK测试电路(b)输出波形(c)输出波形 图4.5 BUCK升压电路(multisim) BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值U o总是小于输入电压U d。 一、BUCK电路工作原理 Q1导通期间（t on ）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D反偏。等效电路如图5.7(b)所示； Q1关断期间（t off）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D导通续流。等效电路如5.7 (c)所示； 由波形图5.7 (b)可以计算出输出电压的平均值为： ) ( 1 ) ( 1 0? ? ?? + ? = =S on on S T t t d S T S dt dt u T dt t u T U 则： d d S on DU U T t U= = ，D为占空比。 忽略器件功率损耗，即输入输出电流关系为： d d O d O I D I U U I 1 = =。
图4.6 BUCK电路工作过程 二、电感工作模式分析 下图4.7为BUCK电路中电感流过电流情况。 图4.7电感电流波形图 电感中的电流i L是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。 1.电感电流i L连续模式：
⑴在t on 期间:电感上的电压为 dt di L u L L = 由于电感L 和电容C 无损耗，因此i L 从I 1线性增长至I 2，上式可以写成 on L on O d t I L t I I L U U ?=-=-12 O d L on U U L I t -?= )( 式中△I L =I 2－I 1为电感上电流的变化量，U O 为输出电压的平均值。 ⑵在t off 期间:假设电感中的电流i L 从I 2线性下降到I 1，则有 off L O t I L U ?= 则，O L off U I L t ?= 可求出开关周期ＴS 为 ） (1 O d O d L off on S U U U LU I t t f T -?= +== fL D D U fLU U U U I d d O d O L ) 1()(-= -= ? 上式中△I L 为流过电感电流的峰－峰值，最大为I 2，最小为I 1。电感电流一周期内的平均值与负载电流I O 相等，即 2 1 20I I I += 则)1(201D D L T U I I S d -- = 2.电感电流i L 临界连续状态 变换电路工作在临界连续状态时，即有I 1=0，由)1(201D D L T U I I S d --=，可得维持电流临界连续的电感值L 0为：
电感降压式开关电源如何设计： 1.通过举例讲解开关电源工作的方式.开关电源的工作原理. 2. 通过举例开关电源工作方式与线性电源工作方式的区别. 3. 分析和讲解为什么线性电源的效率比较低,开关电源的效率比较高? 4. 讲解开关电源是如何实现能量转移的?以及如何实现稳定电压输出?如何进行调节的?为什么说输入电压的变化以及负载的变化会影响调节?为什么会有纹波的产生?为什么说速度响应是衡量开关电源的重要指标? 5. 详细分析开关损耗是如何产生的?如何控制温升?温升对系统有哪些危害? 6. 开关电源体积与频率的关系?以及开关电源的效率问题。 7. 开关器件的如何选择?详细分析MOSFET,IGBT,三极管各自的有点和缺点。 8. 详细推导开关电源的BUCK电路拓扑的过程。 9．引入重要模拟电路中重要器件：电感。 10. 详细讲解电感电压的的形成和公式计算，电感电压受什么参数影响？如何改变电感两端电压？
11. 详细讲解电感电压的与电感中电流大小以及电流变化率的相互关系。为什么说电感电流大小连续而电流变化率是不连续的？ 12. 详细讲解电感中的电流波形的三种模式。 13. 为什么说电感电流在通电和关断后会发生变化？它的内在根本原因又是什么？ 14. 如何实现电感的能量守恒？为什么说只有电感电流达到稳定状态才能为我们使用？电感电流的变化如何实现可控？ 15. BUCK电路中专有名词的解释，了解关键参数对设计的影响。 16. 详细讲解占空比公式的推导。 17. 详细讲解电感参数计算公式的推导过程。 18. BUCK拓扑的几大总结。 19. 举例实际案例现场计算电感参数。 20. 详细讲解电源控制芯片内部各功能模块。 21. 通过实际演示，现场用示波器测量相关波形并进行分析和调试。
(完整)BUCK电路方案设计 编辑整理： 尊敬的读者朋友们： 这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)BUCK电路方案设计）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。 本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)BUCK电路方案设计的全部内容。
项目2 项目名称基于PWM控制 Buck变换器设计 一、目的 1．熟悉Buck变换电路工作原理，探究PID闭环调压系统设计方法。 2．熟悉专用PWM控制芯片工作原理， 3．探究由运放构成的PID闭环控制电路调节规律，并分析系统稳定性。 二、内容 设计基于PWM控制的Buck变换器，指标参数如下： ?输入电压：9V～12V； ?输出电压:5V，纹波<1%； ?输出功率：10W ?开关频率：40kHz ?具有过流、短路保护和过压保护功能,并设计报警电路。 ?具有软启动功能。 ?进行Buck变换电路的设计、仿真（选择项)与电路调试。 三、实验仪器设备 1. 示波器 2。稳压电源 3。电烙铁 4. PC817隔离 5. 计算机 6。 PWM控制芯片SG3525 7。 IRF540_MOSFET 8。 MUR1560快恢复整流二极管 9。 74HC74N_D触发器 10。 LM358放大器 11。万用表 12. 电容、电感、电阻
四、研究内容 （一）方案设计 基于PWM控制的Buck变换器主要由五部分构成，功率主电路、PWM发生电路、MOSFET 驱动电路、隔离电路和保护电路组成。Buck变换器的基本控制思路框图如图1。1所示，总体电路图如图1.2所示。 图1.1 Buck变换器控制框图 图1.2 总体电路图 1、功率主电路
《运动控制系统》 课程设计报告 设计题目：Buck变换器实现及调速系统设计与实践班级： 姓名： 学号： 指导教师： 设计时间：
目录 摘要 第一章...........................................................概述 . (2) 第二章设计任务及要求 (3) 2.1 实验目的 (3) 2.2 实验内容 (3) 2.3 设计要求 (4) 2.4实验（设计）仪器设备和材料清单 (4) 2.5 课程设计基本要求 (4) 第三章BUCK变换器的工作原理和各种模型 (4) 3.1 Buck变换器介绍 (4) 3.2 Buck变换器电路拓扑 (5) 3.3 PWM控制的基本原理 (6) 第四章MATLAB仿真模型的建立 (7) 4.1 MATLAB仿真软件介绍 (7) 4.2 BUCK电路模型的搭建 (7) 4.3 Buck变换器在电机拖动控制系统中的设计与仿真 (10) 4.3.1直流电机的数学模型 (10) 4.3.1系统在开环情况下的仿真 (12) 4.3.1系统在闭环情况下的仿真 (12) 第五章总结与体会 (15) 参考文献 (15)
摘要：变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压从而改变电机的转速。即需要有一个可控直流源，常用的为直流斩波或者脉宽调制器，其通过电力电子开关控制及电容、电感的充放电及二极管的续流组成直流斩波电路（DC），实现输出电压可控，即升压（BOOST）、降压（BUCK）。本实验主要针对降压斩波电路（BUCK）进行实验分析。实验采用MATLAB作为仿真软件，利用PWM波驱动降压斩波电路为直流电动机提供驱动电压，并通过调节PWM波的占空比来调节电动机的启动电压使达到调节电动机转速的电路设计。 关键词：S-Function；PWM调制；Buck变换器；闭环控制；直流电动机 第一章概述 直流变换技术（亦称直流斩波技术，DC-DC），作为电力电子技术领域非常活跃的一个分支，在近几年里，得到了充分的发展。随着电动牵引技术的发展，特别是电子信息类产品的大量涌现，直流变换技术已经广泛应用于生产，生活的各个领域。由于其有良好的可操作性，被大量应用到电机的调速系统中，很好的解决了电动机调速的不可控性。 BUCK电路作为一种最基本的DC-DC变换电路，由于其简单、实用性在各种电源产品中均得到广泛的应用。其电路主要器件有电力电子开关（IGBT或MOSFET）、电感、电容、续流二极管。通过对开关的调节控制电压，其一般采用软开关控制方法，即采用脉宽调制技术（ＰＷＭ），通过改变占空比来调节输出电压的大小。其与直流调速系统组成的脉宽调制变换器—直流电机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即ＰＷＭ直流调速系统。存在：１）主电路简单、功率器件少；２）开关频率高、电流容易连续、谐波小；３）低速性能好、稳态精度高；４）低速性能好，稳态精度高，动态抗干扰能力强等优点。 使用MATLAB等仿真分析，再做实物研究，已经逐渐成为电力电子技术研究的主要方法。 本次课程设计使用MATLAB友好的工作平台和编辑环境进行模型编辑工作，运用它的s函数编辑一个简单的脉冲发生器，要求它的占空可调；运用数学处理功能来处理仿真时的实时数据，利用传递函数构造直流电机转速的数学模型，运用它广泛的模块集合工具箱里的Simulink进行电路模型搭建和系统仿真，控制电路的占空比从而控制输出电压的大小，进而调节电机的转速，同时采用负反馈的控制方式，调节转速在一个恒定值。
一．设计要求 1.输入电压直流200V。 2.阻性负载，负载电阻在5~20Ω范围内变化。 3.输出电流恒定于5A。 4.纹波电流（纹波电压）低于1%。 5.控制电路可用数字电路（单片机为核心），也可用模拟电路（PWM 发生芯片为核心，如SG3525） 二、基于buck变换电路的稳压电源： 1.关于buck变换器 目前高频高效的buck变换器的应用越来越广泛。通常系统在满输出负载时，系统工作于ccm即连续电流模式。但是，当系统的输出负载从满载到轻载然后到空载变化的过程中，系统的工作模式也会发生相应的变化。对buck电路拓扑解释如下： ?T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，当时，T导通。 ?D：续流二极管。 ?L和C组成LPF。
（1） 其工作原理如下： 当 时，控制信号使得T 导通，D 截止，向L 充磁,向C 充电； 当 时，T 截止，D 续流，U0靠C 放电和L 中电流下降维持。 （2） 主要波形为： [0,]t DT ∈[,]t DT T ∈
（3） 假设及参数计算 T ，D 均为理想器件，L 较大，使得在一个周期内电流连续且无内阻，直流输出电压U0为恒定，整个电路无功耗，电路已达稳态。 当晶体管T 导通工作模式： （0≤t ≤t1=KT ） 二极管D 导通工作模式：（t1≤t ≤T ） 0L L d di u u u L dt =-=21011 d I I I U U L L t t -?-==01 ()d U U t I L -?=21 I I I ?=-021 I U L t t ?=-021() U t t I L -?=
B U C K变换器设计报告 一、BUCK变换器原理 降压变换器（Buck Converter）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源。 二、BUCK主电路参数计算及器件选择 1、BUCK变换器的设计方法 利用MATLAB和PSPICE对设计电路进行设计，根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真，再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计，比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等，选取性能优良的模型进行电路搭建。 2、主电路的设计指标 输入电压：标称直流48V，范围43~53V 输出电压：直流24V，5A 输出电压纹波：100mV 电流纹波： 开关频率：250kHz 相位裕量：60°
幅值裕量：10dB 3、BUCK主电路 主电路的相关参数： 开关周期：T S= s f 1=4×10-6s 占空比：当输入电压为43V时，D max= 当输入电压为53V时，D min=输出电压：V O=24V 输出电流I O=5A 纹波电流：Δi L= 纹波电压：ΔV L=100mV 电感量计算：由Δi L= 2L v- V o max - in DT S得： L= L o max - in i 2v- V ΔD min T S= 25 .0 2 24 53 ? -××4×10-6=×10-4H
电容量计算：由ΔV L =C i L 8ΔT S 得： C=L L V 8i ΔΔT S =1 .0825.0 ×4×10-6=×10-6F 而实际中，考虑到能量存储以及输入和负载变化的影响，C 的取值一般要大于该计算值，故取值为120μF 。 实际中，电解电容一般都具有等效串联电阻，因此在选择的过程中要注意此电阻的大小对系统性能的影响。通常钽电容的ESR 在100毫欧姆以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR 甚至高达数欧。ESR 的高低与电容的容量、电压、频率和温度等多因素有关，一般对于等效串联电阻过大的电容，我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。此处取R ESR =50m Ω。 4、主电路的开环传递函数 取R ESR =50m Ω，R=Ω，C=120μF ，L=105μH ，V in =48V ， 可得传递函数为： 在MATLAB 中根据开环传递函数画出Bode 图： >> clear >> num0=[,48]; >> den1=[,,1]; >> bode(num0,den1) >> [kg,gm,wkg,wgm]=margin(num0,den1)
S a b e r 仿真作业 Buck 变换器的设计与仿真 目录 1 Buck变换器技 术 .......................................................................................................................... - 2 - 1.1 Buck变换器基本工作原理 ................................................................................................. - 2 - 1.2 Buck变换器工作模态分 析 ................................................................................................. - 2 - 1.3 Buck变化器外特 性 ............................................................................................................ - 3 - 2 Buck变换器参数设 计 ................................................................................................................... - 5 - 2.1 Buck 变换器性能指标 . ........................................................................................................ - 5 - 2.2 Buck变换器主电路设 计 ..................................................................................................... - 5 - 2.2.1 占空比 D . ................................................................................................................. - 5 - 2.2.2 滤波电感 Lf.............................................................................................................. - 5 - 2.2.3 滤波电容 Cf ............................................................................................................. - 6 - 2.2.4 开关管 Q 的选取 ...................................................................................................... - 7 - 2.2.5 续流二极管 D 的选 取 .............................................................................................. - 7 - 3 Buck变换器开环仿 真 ................................................................................................................... - 7 - 3.1 Buck 变换器仿真参数及指标 . ............................................................................................. - 7 -
前言 在实际电力电子装置中，工程人员往往凭经验通过不断更换元器件或改变结构使装置满足一定的动态和静态特性，而通过计算机仿真能方便地完成这种改变，从而缩短产品开发周期，减小研究开发成本。另外，在电力电子课程教学中，单纯地讲解开关元器件和各种变换电路理论，显得枯燥而缺乏生动，计算机辅助分析和设计在电力电子课程教学中显示出了它的强大的优势，通过电路仿真使得课堂教学概念讲解直观化，理论结果可视化。 Saber仿真软件是美国Analogy公司开发的功能强大的电力电子系统仿真软件之一，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、水力、控制等领域的系统设计和仿真。它具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，其元件模型库中有4 700多种具体型号的器件模型，500多种通用模型。针对电力电子应用，Saber提供了电源设计的环境— PowerExpress，它支持行为级和元件级的设计。Saber的MAST语言是一种硬件描述语言，运用该语言可以方便地建立用户自身的元件或电路模型，其程序兼容Spice仿真程序。专门为Saber仿真器而设计的SaberSketch提供了友好的用户图形界面，使得仿真非常直观，让使用者易学易用。掌握Saber仿真软件对于研究开发电力电子装置及其控制系统，以及电力电子教学都具有重要的意义。
目录 前言 (1) 目录 (2) 1. 基本的Buck 型变换器（开环） (3) 1.1 Buck 变换器基本电路形式 (3) 1.2 各器件参数和指标之间关系的定性分析 (4) 1.3 实验仿真及分析 (4) 2 闭环控制的构成与性能分析 (6) 2.1 差分放大电路 (6) 2.2 功率放大器（PI）模块 (7) 2.3 PWM 块 (8) 3 主电路 (9) 3. 1 主电路参数讨论 (9) 3.1.1 电容对输出电压波形的响 (10) 3.1.2 电感对输出电压波形的影响 (11) 4 结语 (12) 参考文献 (13)
电气与电子信息工程学院 电力电子课程设计 设计题目：降压斩波电路设计 专业班级：电气工程及其自动化本科1班 学号：200840220116 姓名： 指导教师： 设计时间：2011/5/3～2011/5/13 设计地点：K2电力电子实验室
电力电子课程设计成绩评定表 指导教师签字： 2011年5 月20 日
《电力电子课程设计》课程设计任务书 学生姓名：专业班级：电气工程及其自动化 指导教师：工作部门：电气学院电气自动化教研室 一、课程设计题目： 降压斩波电路设计 二、课程设计内容 1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整； 2. 学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数； 3. 编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰写设计报告（5000字以上）。 注：详细要求和技术指标见附录。 三、进度安排 2．执行要求 电力电子课程设计共9个选题，每组不得超过6人，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。 四、基本要求
（1）参考毕业设计论文要求的格式书写，所有的内容一律打印； （2）报告内容包括设计过程、电路元件参数的计算、系统仿真结果及分析； （3）要有完整的主电路原理图和控制电路原理图； （4）列出主电路所用元器件的明细表。 （5）参考文献 五、课程设计考核办法与成绩评定 六、课程设计参考资料 [1]王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社，2001 [2]王文郁.电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，2001 [3]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南.北京：机械工业出版社，2001 [4] 石玉、栗书贤、王文郁.电力电子技术题例与电路设计指导. 北京：机械工业出版社，1999 [5] 赵同贺等.新型开关电源典型电路设计与应用.北京：机械工业出版社，2010 指导教师：南光群、黄松柏 2011年10月8日 教研室主任签名： 2011年10 月9日附录：详细要求和技术指标
题目：Buck 电路的设计与仿真 1、Buck 电路设计： 设计一降压变换器，输入电压为20V ，输出电压5V ，要求纹波电压为输出电压的0.5％，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz 和50kHz 时所需的电感、电容。比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。 解：（1）工作频率为10kHz 时， A.主开关管可使用MOSFET ，开关频率为10kHz ； B.输入20V ，输出5V ，可确定占空比Dc=25%； C.根据如下公式选择电感 H T R D L s c c 41075.310000 1210)25.01(2)1(-?=??-=-= 这个值是电感电流连续与否的临界值，L>c L 则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H 4105.4-?； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 =?-=2008)1(s c T U L D U C 2410000 15005.0105.48)25.01(5?????-?-=F 41017.4-? （2）工作频率为50kHz 时， A.主开关管可使用MOSFET ，开关频率为50kHz ； B.输入20V ，输出5V ，可确定占空比Dc=25%； C.根据如下公式选择电感 H T R D L s c c 41075.050000 1210)25.01(2)1(-?=??-=-= 这个值是电感电流连续与否的临界值，L>Lc 则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H 4109.0-?； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 =?-=2008)1(s c T U L D U C 2450000 15005.0109.08)25.01(5?????-?-=F 410833.0-? 分析： 在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n 倍，则电感值减小为1/n ，电容值也减小到1/n 。从上面推导中也得出这个结论。 2、Buck 电路仿真： 利用simpowersystems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输入电压为20V 的直流电压源，开关管选MOSFET 模块(参数默认)，用Pulse Generator 模块产生脉冲驱动开关管。分别做两种开关频率下的仿真。 （一）开关频率为10Hz 时； (1)使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。 由第一步理论计算得占空比Dc=25%； 实验仿真模型如下所示（稳态直流电压值为4.299V ）：
Buck变换器设计——作业 一．Buck主电路设计 1.占空比D计算 2.电感L计算 3.电容C计算 4.开关元件Q的选取 二. Buck变换器开环分析 三. Buck闭环控制设计 1.闭环控制原理 2.补偿环节Gc(s)的设计——K因子法 3.PSIM仿真 4. 补偿环节Gc(s)的修正——应用sisotool 5．修正后的PSIM仿真 四．标称值电路PSIM仿真 五．设计体会 Buck变换器性能指标: 输入电压：标准直流电压48V，变化范围：43V~53V
输出电压：直流电压24V ，5A 输出电压纹波：100mv 电流纹波：0.25A 开关频率：fs=250kHz 相位裕度：60 幅值裕度：10dB 一. Buck 主电路设计： 1.占空比D 计算 根据Buck 变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D 的变化范围。 .50V 48V 24U U D .4530V 53V 24U U D 0.558 V 43V 24U U D innom o nom max in o min min in o max ========= 2.电感L 计算 uH 105f i 2)D U -(U i 2)T U -(U L s L min o inmax L on(min) o inmax =?=?= 3.电容C 计算 uF 25.1250000 *1.0*825 .0vf 8i C s L ==??= 电容耐压值：由于最大输出电压为24.1V ，则电容耐压值应大于24.1V 。 考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故电容选取120uf/50V 电容。 4.开关元件Q 的选取
B U C K变换器设计 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-
BUCK变换器设计报告 一、BUCK变换器原理 降压变换器（Buck Converter）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源。 二、BUCK主电路参数计算及器件选择 1、BUCK变换器的设计方法 利用MATLAB和PSPICE对设计电路进行设计，根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真，再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计，比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等，选取性能优良的模型进行电路搭建。 2、主电路的设计指标 输入电压：标称直流48V，范围43~53V 输出电压：直流24V，5A 输出电压纹波：100mV 电流纹波： 开关频率：250kHz 相位裕量：60° 幅值裕量：10dB
3、BUCK 主电路 主电路的相关参数： 开关周期：T S =s f 1 =4×10-6s 占空比：当输入电压为43V 时，D max = 当输入电压为53V 时，D min = 输出电压：V O =24V 输出电流I O =5A 纹波电流：Δi L = 纹波电压：ΔV L =100mV 电感量计算：由Δi L =2L v -V o max -in DT S 得： L=L o max -in i 2v -V ΔD min T S=25 .022453?-××4×10-6=×10-4H 电容量计算：由ΔV L =C i L 8ΔT S 得： C=L L V 8i ΔΔT S =1.0825 .0? ×4×10-6=×10-6 F 而实际中，考虑到能量存储以及输入和负载变化的影响， C 的取值一般要大于该计算值，故取值为120μF 。