(完整word版)Buck变换器的设计与仿真

目录1Buck变换器技术..........................................................................................................................-1-1.1Buck变换器基本工作原理.................................................................................................-1-1.2Buck变换器工作模态分析.................................................................................................-1-1.3Buck变化器外特性............................................................................................................-2-2Buck变换器参数设计...................................................................................................................-4-2.1Buck变换器性能指标.........................................................................................................-4-2.2Buck变换器主电路设计.....................................................................................................-4-2.2.1占空比D..................................................................................................................-4-2.2.2滤波电感Lf..............................................................................................................-4-2.2.3滤波电容Cf.............................................................................................................-5-2.2.4开关管Q的选取......................................................................................................-6-2.2.5续流二极管D的选取..............................................................................................-6-3Buck变换器开环仿真...................................................................................................................-6-3.1Buck变换器仿真参数及指标..............................................................................................-6-3.2Buck变换器开环仿真结果及分析......................................................................................-7-4Buck变换器闭环控制的参数设计.................................................................................................-8-4.1闭环控制原理.....................................................................................................................-8-4.2Buck变换器的闭环电路参数设计......................................................................................-9-4.2.1Gvd(s)的传递函数分析............................................................................................-9-4.2.2补偿环节Gc(s)的设计...........................................................................................-11-4.2.3补偿环节参数设计.................................................................................................-13-5Buck变换器闭环仿真.................................................................................................................-17-5.1Buck变换器闭环仿真参数及指标....................................................................................-17-5.2Buck变换器闭环仿真电路原理图....................................................................................-18-5.3Buck变换器的闭环仿真结果与分析.................................................................................-18-6总结...........................................................................................................................................-20--1-1Buck变换器技术1.1Buck变换器基本工作原理Buck电路是由一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的，其电路如图1.1。驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。电路的主要工作波形如图1.2。+-VinQfCfLRDUbUo+-A图1.1Buck变换器电路Ub0AU00tttVinLiLiQONQOff图1.2Buck变换器的主要工作波形1.2Buck变换器工作模态分析在分析Buck变换器之前，做出以下假设：①开关管Q、二极管D均为理想器件；②电感、电容均为理想元件；③电感电流连续；④当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图1.3所示，各开关模态的工作情况描述如下：（1）开关模态0[t0~t1][t0~t1]对应图1.3（a)。在t0时刻，开关管Q恰好开通，二极管D截止。此时：dtdiLUUoi（式1-1）电感中的电流线性上升，式1-1可写成：-2-onononominomaxoiTiLTiiLUU（式1-2）（2）开关模态1[t1~t2][t1~t2]对应图1.3（b)。在t1时刻，开关管Q恰好关断，二极管D导通。此时：dtdiLU0o（式1-3）电感中的电流线性下降，式1-3可写成：offoffoffominomaxoffomaxominoTiLTiiLTiiLU（式1-4）式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时，iiionoff，联解式1-2与式1-4可得：ioDUU（式1-5）输出电流平均值：)ii21Iominomaxo（（式1-6）1.3Buck变化器外特性在恒定占空比下，变化器的输出电压与输出电流的关系Uo=f(io)称为变换器的外特性。式1-5表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。当负载电流减小时，可能出现电感电流断续+-VinQfCfLRDUbUo+-A图1.3(a)[t0~t1]+-VinQfCfLRDUbUo+-A图1.3(b)[t1~t2]Ub0AU00tttVinLiLit0t1t2QONQOff图1.3(a)[t1~t2]的主要工作波形Ub0AU00tttVinLiLit0t1t2QONQOff图1.3(b)[t1~t2]的主要工作波形-3-现象。图1.4为电感电流断续时电流波形图。由式1-2与式1-4可知，当输入电压和输出电压一定时，i为常数。由式1-6可见，当负载电流减少到0iomin时，iiomax，此时最小负载电流ominI，即为电感临界连续电流GI：2ii21IIomaxominG（式1-7）由式1-2及式1-5得i，带入式1-7得：)D1(DL2TUIiG（式1-8）由上式可见，临界连续电流与占空度的关系为二次函数，当D=1/2时，临界连续电流达到最大值：L8TUIiGmax（式1-9）当电感电流断续时，即在Toff结束前续流二极管的电流已下降到0，此时输出的平均电流为：)TiTi21T1I'off'offonono（（式1-10）式中，'offT为开关管关断后电感电流持续的时间，并且：'offo'offonoionTUL1iT)UUL1i）（（（式1-11）稳态时，'offonii，由式1-11得：onooi'offTUUUT（式1-12）将式1-11及式1-12带入式1-10得：ooi2GmaxoUUUD4I/I（式1-13）即：）2GmaxoioDI4/(I11U/U（式1-14）0TonToff'offTLit图1.4电感电流断续时电流波形-4-可见在电流断续区，输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关，而且与负载电流有关。2Buck变换器参数设计2.1Buck变换器性能指标输入电压：Vin=30~60VDC（额定输入电压为48V）；输出性能：Vout=24VDC；Vout(p-p)25mv；Iout=2A；当Iout=0.1A时，电感电流临界连续。开关频率：fs=200KHz。2.2Buck变换器主电路设计2.2.1占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围：.50V48V24UUD.40V60V24UUD.80V30V24UUDiNonommaxiominminiomax