BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V10V

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

课程设计说明书

课程设计名称: 电力电子

题目:BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 20V/ 10V

电力电子课程设计任务书

二级学院(直属学部):电子信息与电气工程学院专业:电气工程及其自动化班级:所属组号2# 指导教师职称讲师

目录

一、课题背景 (1)

1、buck电路的工作原理 (1)

二、课题设计要求 (2)

三、课题设计方案 (2)

1、系统的组成 (2)

2、主电路部分的设计 (3)

3、闭环系统的设计 (4)

4、闭环系统的仿真 (8)

四、总结及心得体会 (13)

五、参考文献 (14)

附录 (15)

一、课题背景

1、buck 电路的工作原理

Buck 电路是由一个Mosfet S 与负载串联构成的，是一种降压斩波电路，其电路如图1-1，

其中R C 为电容的等效电阻(ESR)。

图1.1 buck 变换器主电路图

由驱动信号周期地控制mosfet S 的导通与截止，通过改变驱动信号的占空比D ，来改变输出电压Uo 。当电路中上管导通时，源极电压等于输入电压，因此驱动管的栅极电压=Vin+Vgs ，IC 不能直接驱动，IC 部将上管的驱动路采用浮地的方式，外接自举电容组成偏置电路来驱动上管。

根据开关管的通断状态列基尔霍夫电压方程： 当开关管导通时： IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=? （1-1）

当开关管关断时： O

L D L OFF /V V V L i T ++=? （1-2）

2.BUCK 开关电源的应用

自从20世纪70年代，用高频开关电源取代线性调节器式电源以来，高频开关电源得到了很大的发展。40多年来，高频开关电源的技术进步和发展历程有三大标志：①功率半导体开关器件用功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)取代了70年代使用的普通功率晶体管；②高频化PWM 与PFM 控制技术的应用和软开关技术的应用；③开关电源系统集成技术的应用。现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。

可以说，凡是用电的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天电源、UPS 电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等，都要使用高频开关电源。这些电源功率通常仅有几十瓦至几百瓦。手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几瓦。通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达数千瓦至数百千瓦。工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。

上述的开关电源最终的供电对象基本都是电子电路，电压多为3.3V ，5V,12V 等。除了这些应用之外，开关电源还可以用于蓄电池充电，电火花加工，电镀、电解等电化学过程等，功率可达几十至几百千瓦。在X 光机、微波发射器、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电流输出的开关电源。 二、课题设计要求

1、输入直流电压(Vin)：20V

2、输出电压(Vo)：10V

3、负载电阻：Ω=2R

4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp ≤50mV ，电感电流脉动：输出电流的10%

5、开关频率(fs)：100kHz

6、BUCK 主电路二极管的通态压降VD=0.5V ，电感中的电阻压降VL=0.1V ，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C 与电解电容RC 的乘积为F *Ωμ75

7、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S ，占空比为2%，相位延迟0.006S 。 三、课题设计方案 1、系统的组成

1.1 闭环系统结构框图

图3.1.1 闭环系统结构框图

整个BUCK 电路包括:Gc(S)为补偿器，G m （S ）PWM 控制器，G vd （S ）开环传递函数和

H(S) 反馈网络。采样电压与参考电压V ref 比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWM 控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压Uo 做成相应调整来消除偏差。 （2）系统传函框图

Gc(s)

Gm(s)

Gvd(s)

H(s)

PWM

R(s) +

-C(s)

2、主电路部分的设计

2.1 电容等效电阻R C 和滤波电感C 的计算

Buck 变换器主电路如图3.2.1所示，其中R C 为电容的等效电阻(ESR)。

输出纹波电压只与电容的容量以及ESR 有关， 式（3-1）

电解电容生产厂商很少给出ESR ，但C 与R C 的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF 。本例中取为75μΩ*F ，由式(3-1)可得R C =100m Ω，C =750μF 。 2.2 滤波电感L 的计算

开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(3-2)、(3-3)所示 IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=? 式（3-2）

O

L D L OFF /V V V L i T ++=? 式（3-3）

二极管的通态压降V D =0.5V ，电感中的电阻压降V L =0.1V ，开关管导通压降V ON =0.5V ，

L i ?=0.2I N 。利用ON OFF S 1T T f +=，可得T ON =5.3μS ，将此值回代式(3-2)，可得L =99.64μH ， 取L=100μH

rr rr

C L N

0.2V V R i I ==?

3、闭环系统的设计

3.1 BUCK 变换器原始回路传函)(s G O 的计算

()LC

s R L s sCR V s H V s G s H s G s G C IN

m

vd m O 211)(1

)()()()(+++??=

??=

其中)(s G m 为锯齿波PWM 环节传递函数，近似成比例环节，为锯齿波幅值V m 的倒数。)(s H 为采样网络传递函数，y

x y o

ref R R R U V s H +=

=

)(，R x ，R y 为输出端反馈电压的分压电阻，)(s G vd 为

开环传递函数。

将Vm=3V,H(S)=0.3,Vin=20V,C=0.75mF,Rc=100m Ω，L=100uH ，R=2欧代入传函表达式，得到：

110*510*5.72

00015.0)(5

28+++=--S S S S G O 式（3-1） 用matlab 绘制波德图，得到相角裕度34.6度。 num=[0.00015，2]

den=[7.5*10^-8，5*10^-5,1] G0 =tf(num,den) Margin(G0)

由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。 3.2 双极点双零点补偿控制器的设计 有源超前-滞后补偿网络电路如图3.2.1所示

V1(s)

R3C2

C1R2R1

+

-

C3

图3.2.1 有源超前—滞后补偿网络电路

补偿器的传递函数为：

式（3-2）

12z121f C R π=2

12

123p 21f C C C C R +=π332p 21f C R π=1p f 1

2

1AV R R

=z1

f 3p f 3

2

3

13122)(AV R R R R R R R ≈++=p3f p2f 5

f g s f

=LC

π21

f 2p .1p ≈s f )(S G C )(S G O 2.121z 2

1f p p z f f ==21

)(o S G s p p f f f ==32)(c s G )

(S G C )

()()(S G S G S G C O =313312z 21

(21f C R C R R π）π?

+=有源超前-滞后补偿网络有两个零点.三个极点。

零点为： ，

极点为： 为原点， ,

频率 与 之间的增益可近似为：

在频率 与 之间的增益则可近似为：

考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取 ( 开关频率)

开环传递函数 的极点频率为 ,将 两个零点的频率设计为开环

传函 两个相近极点频率的 ，则： 将补偿网络

两个极点设为 以减小输出的高频开关纹波。 12g g z21)f 2j (f f R R G AV C ==π

3

2g g P22)f 2j (f f R R G AV C ==

π

先将R2取10k Ω，然后根据公式可推算出R1、R3、C1、C2、C3的值 进而可得到 依据上述方法计算后，Buck 变换器闭环传递函数： 计算过程可通过matlab 编程完成，程序见附录。根据闭环传函，绘制波德图，如图3.2.2，图3.2.3

图3.2.2 补偿器的传递函数Gc（s）伯德图

图3.2.3 闭环传递函数G（s）伯德图

得到相角裕度90.6°，符合要求。

进过计算最终可得：

R1=3.7942*10^6Ω

S

S S S S S G C 2084.010*634.610*279.51

001097.010*009.3)(273132-7++++=--)

()()(S G S G S G C O =R3=1.1025*10^4Ω C1=5.472*10^-8 F C2=1.5962*10^-10 F C3=1.4436*10^-10 F

进而可得到 式（3-3）

根据Gc(S) 确定Kp ，ki,kd 的值。

依据上述方法计算后，Buck 变换器闭环传递函数： S S S S S S S S S G 2084.010*108.110*567.110*978.410*96.32002344.010*663.710*513.4)(253841452027311+++++++=

------ 式（3-4）

4、闭环系统的仿真

用Matlab 绘制Buck 电路双极点-双零点控制系统的仿真图如图4.1

图4.1 Buck 电路双极点-双零点控制系统的仿真图

4.1 不加任何干扰时闭环系统的仿真

（1）对闭环系统进行仿真（不含干扰负载），并记录波形，经过调试，设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.0001，

积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为1.488，下限为1.480，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为70kHz，幅值为3.66V的锯齿波。

(2) 设置仿真时间为0.05s，采用ode23算法，设变步长1e-7。

不加干扰时BUCK电路闭环仿真电流及其局部放大波形如图4.2和图4.3所示：

图4.2 BUCK电路闭环仿真电流波形

图4.3 BUCK电路闭环仿真电流的局部放大波形

不加干扰时BUCK电路闭环仿真电压及其局部放大波形如图4.4和图4.5所示：

图4.4 BUCK电路闭环仿真电压波形

图4.5 BUCK电路闭环仿真电压的局部放大波形

如上述图4.2--图4.5所示，BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为10V，，最大值为10.035V，最小值为9.975V，峰-峰值为0.005V，符合要求；输出电流稳定后为5A，最大值为5.018A，最小值为4.988AA，峰-峰值为0.03A，符合要求。

4.2 加干扰时闭环系统的仿真

系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。其中采用压控开关S2实现负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为20%，相位延迟0.006S。

系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形如图4.6所示：

图4.6 BUCK电路闭环仿真电流和电压波形其中电流局部放大图如图4.7所示：

图4.7 BUCK电路闭环仿真电流局部放大波形电压局部放大图如图4.8所示：

图4.8 BUCK电路闭环仿真电压局部放大波形

如上述图4.6至图4.8所示，BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为10V，每隔0.012s出现扰动，扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为10.002V，最小值为9.998V，峰-峰值为0.004V，符合要求；输出电流稳定后为8A，每隔0.012s出现扰动，扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为8.002A，最小值为7.998A，峰-峰值为0.004A，符合要求。

四、总结及心得体会

这次电力电子的课程设计是以Buck开关电源为研究对象，学做了一个有关BUCK开关电源电压型双极点双零点补偿器控制的仿真研究。本次课程设计是针对BUCK降压斩波器，包括电路的原理分析，buck电路的主电路参数设计，buck电路的闭环设计及buck电路的闭环仿真。通过闭环仿真，可以看到闭环控制的稳压及抑制干扰作用。通过这次设计主要取得了如下成果：掌握了一定的电力电子建模知识、开关变换器的建模知识；对PID控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识；熟练运用Matlab的仿真软件；对开关电源的用途、现状与发展有了新的体会。

为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选用具有双极点、双零点补偿的PID控制器，增设的两个零点补偿由于Buck变换器的双极点造成的相位滞后，其中一个极点可以抵消变换器的ESR零点，另一个极点设置在高频段，可以抑制高频噪声。仿真时先对不加任何干扰时BUCK 电路闭环的仿真，调节各种元器件的参数使得最后的仿真波形与预期的一样，之后进行系统在突加、突卸80%额定负载时的仿真，这时系统将得到一个波动的干扰影响输出电压电流，得到的波形也是有个稳定周期地扰动的。

本次课程设计是对本学期学习的一个检验，把理论的运用到应用中。实验过程中遇

到难点，通过查资料丰富了自己的知识，本次实验学会了使用Matlab仿真软件，全英文

的软件，感受到英语不好的忧伤，不过matlab是很强大的，通过它检测了闭环系统的稳

定性，感受到了成功的喜悦。一周的课程设计虽然冲忙，但也学到的很多课堂上学不到

的知识，实践出真理，既巩固了之前所学的知识，也锻炼了自身的动手能力，还学到了

不少新的知识，一举三得。

五、参考文献

1、电力电子系统建模及控制，徐德洪，机械工业

2、开关变换器的建模与控制，卫平，中国电力

3、开关电源技术教程，占松，机械工业

4、《电力电子应用技术的MATLAB仿真》林飞，中国电力，2009

5、电力电子课程设计指导书本院编；

6、电力电子技术应用教程，渭忠，电子工业

7、电力电子技术，王兆安，机械工业

附录

clc;

clear;

Vg=20;L=100e-6;C=0.75e-3;fs=100e3;R=2;Vm=3;H=0.3;Rc=0.1; G0=tf([C*Rc*Vg*H/Vm Vg*H/Vm],[L*C L/R 1])

figure(1)

margin(G0)

fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C));

fg=(1/5)*fs;

fz1=(1/2)*fp1;

fz2=(1/2)*fp1;

fp2=fs;

fp3=fs;

[marg_G0,phase_G0]=bode(G0,fg*2*pi);

marg_G=1/marg_G0;

AV1=fz2/fg*marg_G;

AV2=fp2/fg*marg_G;

R2=10e3;

R3=R2/AV2;

C1=1/(2*pi*fz1*R2);

C3=1/(2*pi*fp2*R3);

C2=1/(2*pi*R2*（fp3-fz1）);

R1=1/(2*pi*C3*fz1);

num=conv([C1*R2 1],[(R1+R3)*C3 1]);

den1=conv([(C1+C2)*R1 0],[R3*C3 1]);

den=conv(den1,[R2*C1*C2/(C1+C2) 1]);

Gc=tf(num,den);

figure(2)

bode(Gc)

G=series(Gc,G0);

figure(3)

margin(G)

开关电源闭环反馈响应及测试

开关电源闭环反馈响应及测试 开关电源依靠反馈控制环路来保证在不同的负载情况下得到所需的电压和电流。反馈控制环路的设计影响到许多因素，包括电压调整、稳定性和瞬态响应。当某个反馈控制环路在某个频率的环路增益为单位增益或更高且总的相位延迟等于360 时，反馈控制环路将会产生振荡。稳定性通常用下面两个参数来衡量： 相位裕量:当环路增益为单位增益时实际相位延迟与360 间的差值，以度为单位表示。 增益裕量:当总相位延迟为360 时，增益低于单位增益的量，以分贝为单位表示。 对多数闭环反馈控制系统，当环路增益大于0dB时，相位裕量都大于45 （小于315 ）。当环路相位延迟达到360 时，增益裕量为-20dB或更低。 如果这些条件得到满足，控制环将具有接近最优的响应；它将是无条件稳定的，即不会阻尼过小也不会阻尼过大。通过测量在远远超出控制环通常操作带宽的情况下控制环的频率响应，可以保证能够反映出所有可能的情况。 一个单输出开关电源的控制环增益和相位响应曲线。测量是利用一个GP102增益相位分析仪（一种独立的用来评价控制环增益和相位裕量的仪器）进行的，然后输入到电子表软件中。 在这一例子中，从0dB增益交点到360 测量得到的相位裕量为82 （360 到 278 ）。从0dB增益交点到相位达到360 的增益裕量为-35dB。把这些增益和相位裕量值与-20dB增益裕量和60 相位裕量的目标值相比较，可以肯定被测试电源的瞬态响应和调节是过阻尼的，也是不可接受的。 0dB交点对应的频率为160Hz，这导致控制环的响应太慢。理想情况下，在1或2KHz处保持正的环增益是比较合适的，考虑到非常保守的增益和相位裕量，不必接近不稳定区即可改善控制环的动态特性。当然需要对误差放大器补偿器件进行一些小的改动。进行修改后，可以对控制环重新进行测试以保证其无条件稳定性。通常可利用频率响应分析仪（FRA）或增益-相位分析仪进行这种测量。这些仪器采用了离散傅里叶变换（DFT）技术，因为被测信号经常很小且被掩盖在噪声和电源开关台阶所产生的失真中。DFT用来从中提取出感兴趣的信号。 测试信号注入 为进行测量，FRA向控制环中注入一个已知频率的误差信号扰动。利用两个FRA通道来判断扰动要多长时间才能从误差放大器输入到达电源输出。 扰动信号应该在控制环反馈信号被限制在单条路径的地方注入，并且来自低阻抗的驱动源。连接到电源输出或误差放大器输出的反馈路径是注入扰动信号的好地方。 通过信号发生器通过一个隔离变压器连接到测试电路，以保证FRA信号发生器和被测试电路间的电气隔离。注入方法将扰动信号注入到误差放大器的输入。对于电源输出电压在FRA最大输入电压限制以内的情况，这一方法是合适的。 如果被测量电源的输出电压比FRA最大输入电压还要高，那么第一种注入方法就不适用了。扰动信号被注入到误差放大器的输出，此处的控制环对地电压比较低。如果电源电压超过FRA输入范围则应采用这种注入方法。

multisim buck电路仿真

第一章概述 1、1 直流―直流变换的分类 直流—直流变换器(DC-DC)就是一种将直流基础电源转变为其她电压种类的直流变换装置。目前通信设备的直流基础电源电压规定为?48V,由于在通信系统中仍存在?24V(通信设备)及+12V、+5V(集成电路)的工作电源,因此,有必要将?48V基础电源通过直流—直流变换器变换到相应电压种类的直流电源,以供实际使用。D C/DC变换就是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。主要有 (1)Buck电路——降压斩波,其输出平均电压小于输入电压,极性相同。 (2)Boost电路——升压斩波,其输出平均电压大于输入电压,极性相同。 (3)Buck－Boost电路——降压―升压斩波,其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反,电感传输。 (4)Cuk电路——降压或升压斩波,其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反,电容传输。 此外还有Sepic、Zeta电路。 1、2 直流—直流变换器的发展 当今软开关技术的发展使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司(美国怀格公司,国际知名的电源模块生产厂家)设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80～90)%。日本NEMIC—LAMBDA(联美兰达,日本的开关电源厂商、2012年兰达被TDK收购,名称也改为TDK-LAMBDA)公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200～300)kHz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。

Buck电路的设计与仿真

uck 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 这个值是电感电流连续与否的临界值，L>L c 则电感电流连续，实际电感值 可选为1.1~1.2倍的临界电感，可选择为4 10?H ； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 C=^^T s2 J =4.17 10 牛 8L^U 。 8 沃 4.5 沃 10 X0.0055 1 0000 (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 . (1—DJR T (1 —0.25)汇10,. 1 L c (1 _DJR T 2 s (1-0.25)1° 亠 2 10000 = 3.75 10* H 5 (1-0.25) 0.75 10, H 50000 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

L c T s 2

可选为1.2倍的临界电感，可选择为0.9 10" H ； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 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sim power systems 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 Gen erator 模块产生脉冲驱动开关管 建模: 分别做两种开关频率下的仿真 工作频率为10kHz 时 U o (1-D c ) 8L U o T s 2 5 (1-0.25) 1 8 0.9 10J 0.005 5 500002 = 0.833 10*F matlab20120510 ?

开关电源闭环设计详细说明书

6.4 开关电源闭环设计 从反馈基本概念知道：放大器在深度负反馈时，如输入不变，电路参数变化、负载变化或干扰对输出影响减小。反馈越深，干扰引起的输出误差越小。但是，深反馈时，反馈环路在某一频率附加相位移如达到180°,同时输出信号等于输入信号，就会产生自激振荡。 开关电源不同于一般放大器，放大器加负反馈是为了有足够的通频带，足够的稳定增益，减少干扰和减少线性和非线性失真。而开关电源，如果要等效为放大器的话，输入信号是基准（参考）电压U ref，一般说来，基准电压是不变的；反馈网络就是取样电路，一般是一个分压器，当输出电压和基准一定时，取样电路分压比（k v）也是固定的（U o=k v U ref）。开关电源不同于放大器，内部（开关频率）和外部干扰（输入电源和负载变化）非常严重，闭环设计目的不仅要求对以上的内部和外部干扰有很强抑制能力，保证静态精度，而且要有良好的动态响应。 对于恒压输出开关电源，就其反馈拓扑而言，输入信号（基准）相当于放大器的输入电压，分压器是反馈网络，这就是一个电压串联负反馈。如果恒流输出，就是电流串联负反馈。 如果是恒压输出，对电压取样，闭环稳定输出电压。因此，首先选择稳定的参考电压，通常为5～6V或2.5V，要求极小的动态电阻和温度漂移。其.次要求开环增益高，使得反馈为深度反馈，输出电压才不受电源电压和负载（干扰）影响和对开关频率纹波抑制。一般功率电路、滤波和PWM发生电路增益低，只有采用运放（误差放大器）来获得高增益。再有，由于输出滤波器有两个极点，最大相移180°，如果直接加入运放组成反馈，很容易自激振荡，因此需要相位补偿。根据不同的电路条件，可以采用Venable三种补偿放大器。补偿结果既满足稳态要求，又要获得良好的瞬态响应，同时能够抑制低频纹波和对高频分量衰减。 6.4.1 概述

题目Buck电路的设计与仿真

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 ）：

开关电源纹波分析及抑制(精华)

主题: 开关电源纹波的产生与控制 开关电源输出纹波主要来源于五个方面：输入低频纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声和闭环调节控制引起的纹波噪声 1、低频纹波是与输出电路的滤波电容容量相关。电容的容量不可能无限制地增加，导致输出低频纹波的残留。交流纹波经DC/DC变换器衰减后，在开关电源输出端表现为低频噪声，其大小由DC/DC变换器的变比和控制系统的增益决定。电流型控制DC / DC变换器的纹波抑制比电压型稍有提高。但其输出端的低频交流纹波仍较大。若要实现开关电源的低纹波输出，则必须对低频电源纹波采取滤波措施。可采用前级预稳压和增大DC / DC变换器闭环增益来消除。 低频纹波抑制的几种常用的方法: a、加大输出低频滤波的电感，电容参数，使低频纹波降低到所需的指标。 b、采用前馈控制方法，降低低频纹波分量。 2、高频纹波噪声来源于高频功率开关变换电路，在电路中，通过功率器件对输入直流电压进行高频开关变换而后整流滤波再实现稳压输出的，在其输出端含有与开关工作频率相同频率的高频纹波，其对外电路的影响大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关，设计中尽量提高功率变换器的工作频率，可以减少对高频开关纹波的滤波要求。 高频纹波抑制的目的是给高频纹波提供通路，常用的方法有以下几种: a、提高开关电源工作频率，以提高高频纹波频率，有利于抑制输出高频纹波 b、加大输出高频滤波器，可以抑制输出高频纹波。 C、采用多级滤波。 3、由于功率器件与散热器底板和变压器原、副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，因此当矩形波电压作用于功率器件时，开关电源的输出端因此会产生共模纹波噪声。减小与控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容，并在输出侧加共模抑制电感及电容，可减小输出的共模纹波噪声。 减小输出共模纹波噪声的常用方法: a、输出采用专门设计的EMI滤波器。 b、降低开关毛刺幅度。 4、超高频谐振噪声主要来源于高频整流二极管反向恢复时二极管结电容、功率器件开关时功率器件结电容与线路寄生电感的谐振，频率一般为1-10MHz,通过选用软恢复特性二

multisimbuck电路仿真设计

第一章概述 1.1 直流―直流变换的分类 直流—直流变换器（DC-DC）是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。目前通信设备的直流基础电源电压规定为?48V，由于在通信系统中仍存在?24V（通信设备）及+12V、+5V（集成电路）的工作电源，因此，有必要将?48V基础电源通过直流—直流变换器变换到相应电压种类的直流电源，以供实际使用。D C/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。主要有 （1）Buck电路——降压斩波，其输出平均电压小于输入电压，极性相同。 （2）Boost电路——升压斩波，其输出平均电压大于输入电压，极性相同。 （3）Buck－Boost电路——降压―升压斩波，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反,电感传输。 （4）Cuk电路——降压或升压斩波，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反，电容传输。 此外还有Sepic、Zeta电路。 1.2 直流—直流变换器的发展 当今软开关技术的发展使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司(美国怀格公司,国际知名的电源模块生产厂家)设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（80～90）%。日本NEMIC—LAMBDA(联美兰达,日本的开关电源厂商.2012年兰达被TDK收购,名称也改为TDK-LAMBDA)公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。

开关电源闭环设计详细说明

开关电源闭环设计详细说明

6.4 开关电源闭环设计 从反馈基本概念知道：放大器在深度负反馈时，如输入不变，电路参数变化、负载变化或干扰对输出影响减小。反馈越深，干扰引起的输出误差越小。但是，深反馈时，反馈环路在某一频率附加相位移如达到180°,同时输出信号等于输入信号，就会产生自激振荡。 开关电源不同于一般放大器，放大器加负反馈是为了有足够的通频带，足够的稳定增益，减少干扰和减少线性和非线性失真。而开关电源，如果要等效为放大器的话，输入信号是基准（参考）电压U ref，一般说来，基准电压是不变的；反馈网络就是取样电路，一般是一个分压器，当输出电压和基准一定时，取样电路分压比（k v）也是固定的（U o=k v U ref）。开关电源不同于放大器，内部（开关频率）和外部干扰（输入电源和负载变化）非常严重，闭环设计目的不仅要求对以上的内部和外部干扰有很强抑制能力，保证静态精度，而且要有良好的动态响应。 对于恒压输出开关电源，就其反馈拓扑而言，输入信号（基准）相当于放大器的输入电压，分压器是反馈网络，这就是一个电压串联负反馈。如果恒流输出，就是电流串联负反馈。 如果是恒压输出，对电压取样，闭环稳定输出电压。因此，首先选择稳定的参考电压，通常为5～6V或2.5V，要求极小的动态电阻和温度漂移。其.次要求开

环增益高，使得反馈为深度反馈，输出电压才不受电源电压和负载（干扰）影响和对开关频率纹波抑制。一般功率电路、滤波和PWM 发生电路增益低，只有采用运放（误差放大器）来获得高增益。再有，由于输出滤波器有两个极点，最大相移180°，如果直接加入运放组成反馈，很容易自激振荡，因此需要相位补偿。根据不同的电路条件，可以采用Venable 三种补偿放大器。补偿结果既满足稳态要求，又要获得良好的瞬态响应，同时能够抑制低频纹波和对高频分量衰减。 6.4.1 概述 图6.31为一个典型的正激变换器闭环调节的例子。 可以看出是一个负反馈系统。PWM 控制芯片中包含了误差放大器和PWM 形成电路。控制芯片也提供许多其他的功能，但了解闭环稳定性问题，仅需考虑误差放大器和PWM 。 对于输出电压U o 缓慢或直流变化,闭环当然是稳定的。例如输入电网或负载变化（干扰），引起U o 的变化，经R 1和R 2取样（反馈网络）， 图6.31 典型的正激变换器闭环控制 **PWM 驱动EA R1R2Resr Co Lo Us Ns Nr Np Q1Ub Udc Uref Ut A B 误差放大Uea Uo Us 3V Uea 0Ut t0t1Ub ton ton T Uy B

Buck电路设计与MATLAB仿真

Buck电路设计与仿真 姓名：朱龙胜 班级：电气1102 学号：11291065 日期：2014年5月10日 指导老师：郭希铮 北京交通大学

计算机仿真技术作业四 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。 2、Buck 电路理论计算: 由以下公式计算: 20.252.0.5A (1) 3.5% 8() 4.2o d o o o s o s d o LB OB V D V V I R V T D V LC DT V V I I L = == =?-==-== 1.占空比: 负载电流: 纹波电压: 电流连续条件： 得到下列计算结果 3、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。 (1)使用理论计算的占空比(D=0.25)，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。 4、仿真过程:: A ．建立模型: 建立仿真模型如下如所示 :

B. 记录数据: 仿真算法选择ode23tb,最大步长为0.1s ，占空比D=0.25进行仿真，记录数据如下表所 C ．仿真过程: 当f s =10KHz,L=0.375mH C=500μF, 占空比D=0.25,电流连续的临界状态时，记录稳态直流电压值V o =4.736V ，稳态直流电压理论值5V 计算稳态直流纹波电压的理论值 2(1D)0.025V 8s o o T V V CL -?==,通过图中得到直流纹波电压为0.0267V 当fs=10KHz,L=0.375mH, C=500μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态时, 由(1)o S L V D T I L -?= ，得电感电流波动理论值是1A ，由图像得到电感电流波动值是 1A ，与理论计算相符合

BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V10V

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 课程设计说明书 课程设计名称: 电力电子 题目:BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 20V/ 10V 电力电子课程设计任务书 二级学院(直属学部):电子信息与电气工程学院专业:电气工程及其自动化班级:所属组号2# 指导教师职称讲师

目录 一、课题背景 (1) 1、buck电路的工作原理 (1)

二、课题设计要求 (2) 三、课题设计方案 (2) 1、系统的组成 (2) 2、主电路部分的设计 (3) 3、闭环系统的设计 (4) 4、闭环系统的仿真 (8) 四、总结及心得体会 (13) 五、参考文献 (14) 附录 (15)

一、课题背景 1、buck 电路的工作原理 Buck 电路是由一个Mosfet S 与负载串联构成的，是一种降压斩波电路，其电路如图1-1， 其中R C 为电容的等效电阻(ESR)。 图1.1 buck 变换器主电路图 由驱动信号周期地控制mosfet S 的导通与截止，通过改变驱动信号的占空比D ，来改变输出电压Uo 。当电路中上管导通时，源极电压等于输入电压，因此驱动管的栅极电压=Vin+Vgs ，IC 不能直接驱动，IC 部将上管的驱动路采用浮地的方式，外接自举电容组成偏置电路来驱动上管。 根据开关管的通断状态列基尔霍夫电压方程： 当开关管导通时： IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=? （1-1） 当开关管关断时： O L D L OFF /V V V L i T ++=? （1-2） 2.BUCK 开关电源的应用 自从20世纪70年代，用高频开关电源取代线性调节器式电源以来，高频开关电源得到了很大的发展。40多年来，高频开关电源的技术进步和发展历程有三大标志：①功率半导体开关器件用功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)取代了70年代使用的普通功率晶体管；②高频化PWM 与PFM 控制技术的应用和软开关技术的应用；③开关电源系统集成技术的应用。现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。 可以说，凡是用电的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天电源、UPS 电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等，都要使用高频开关电源。这些电源功率通常仅有几十瓦至几百瓦。手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几瓦。通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达数千瓦至数百千瓦。工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。

BUCK电路闭环控制系统的MATLAB仿真

BUCK 电路闭环PID 控制系统 的MATLAB 仿真 一、课题简介 BUCK 电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo 总是小于输入电压U i 。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L 和电容C 的数值。 简单的BUCK 电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID 控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到PWM 调制波，再与基准电压进行比较，通过PID 控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK 电路闭环PID 控制系统。 二、BUCK 变换器主电路参数设计 2.1设计及内容及要求 1、 输入直流电压(VIN)：15V 2、 输出电压(VO)：5V 3、 输出电流(IN)：10A 4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp ≤50mV 5、 锯齿波幅值Um=1.5V 6、开关频率(fs)：100kHz 7、采样网络传函H(s)=0.3 8、BUCK 主电路二极管的通态压降VD=0.5V ，电感中的电阻压降 VL=0.1V ，开关管导通压降 VON=0.5V,滤波电容C 与电解电容 RC 的乘积为 F *Ωμ75

2.2主电路设计 根据以上的对课题的分析设计主电路如下： 图2-1 主电路图 1、滤波电容的设计 因为输出纹波电压只与电容的容量以及ESR 有关， rr rr C L N 0.2V V R i I == ? （1） 电解电容生产厂商很少给出ESR ，但C 与R C 的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF [3]。在本课题中取为75μΩ*F ，由式(1)可得R C =25mΩ，C =3000μF 。 2、滤波电感设计 开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(2)、(3)所示： IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=?（2） O L D L OFF /V V V L i T ++=? （3） off 1/on s T T f += (4) 由上得： L in o L D on V V V V L T i ---=? (5) 假设二极管的通态压降V D =0.5V ，电感中的电阻压降V L =0.1V ，开关管导通压降V ON =0.5V 。利用ON OFF S 1T T f +=，可得T ON =3.73μS ，将此值回代式(5)，可得L =17.5μH

开关电源环路设计过程

1. 绪论 在开关模式的功率转换器中，功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。因而，功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。由于理论近似，控制环的设计往往陷入复杂的方程式中，使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。下面几页将展示控制环的简单化近似分析，首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。测试结果和测量方法也包含在其中。 2. 基本控制环概念 2.1 传输函数和博得图 系统的传输函数定义为输出除以输入。它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。在博得图中，增益用对数图表示。因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和，他们的增益可以画成图相加。系统的相位是整个环路相移之和。 2.2 极点 数学上，在传输方程式中，当分母为零时会产生一个极点。在图形上，当增益以20dB每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输函数和博得图也一并给出。 2.3 零点 零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。在博得图中，零点发生在增益以20dB每十倍频的斜率开始递增的点，并伴随有90度的相位超前。图2 描述一个由高通滤波器电路引起的零点。 存在第二种零点，即右半平面零点，它引起相位滞后而非超前。伴随着增益递增，右半平面零点引起90度的相位滞后。右半平面零点经常出现于BOOST和

BUCK-BOOST转换器中，所以，在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕，以使系统的穿越频率大大低于右半平面零点的频率。右半平面零点的博得图见图3。 3.0 开关电源的理想增益相位图 设计任何控制系统首先必须清楚地定义出目标。通常，这个目标是建立一个简单的博得图以达到最好的系统动态响应，最紧密的线性和负载调节率和最好的稳定性。理想的闭环博得图应该包含三个特性：足够的相位裕量，宽的带宽，和高增益。高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间。宽的带宽允许电源系统快速响应线性和负载的突变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。 3.1 相位裕量 参看图4，相位裕量是在穿越频率处相位高于0度的数量。这不同于大多数控制系统教科书里提出的从-180度开始测量相位裕量。其中包括DC负反馈所提供的180度初始相移。在实际测量中，这180度相移在DC处被补偿并允许相位裕量从0度开始测量。 根据奈奎斯特稳定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定的。然而，有一个边界稳定区域存在，此处（指边界稳定区，译注），系统由于瞬态响应引起振荡到经过一个长的调节时间最终稳定下来。如果相位裕量小于45度，

BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 28V15V

课程设计说明书 课程设计名称：电力电子技术 题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 28V/15V

目录 一、引言 (1) 二、课题简介 (1) 2.1 BUCK变换器PID控制的参数设计 (1) 2.2 BUCK电路的工作原理 (1) 2.3 BUCK开关电源的应用 (3) 三、课题设计要求 (3) 3.1 课题内容 (3) 3.2 参数要求 (3) 四、课题设计方案 (4) 4.1 系统的组成： (4) 4.2 主电路部分的设计 (5) 4.3 闭环系统的设计 (5) 4.4 闭环系统仿真 (10) 五、总结及心得体会 (13) 六、参考文献 (13) 七、附录 (14)

一、引言 随着电力电子技术的快速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压、大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。 开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。 IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT 易驱动，电压、电流容量大的优点。IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。 二、课题简介 BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ui。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C 的数值。简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到PWM调制波，再与基准电压进行比较，通过PID控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。 2.1 BUCK变换器PID控制的参数设计 PID控制是根据偏差的比例P、积分I、微分D进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能。PID控制的本质是一个二阶线性控制器，其优点：1、技术纯熟；2、易被人们熟悉和掌握；3、不需要建立数学模型；4、控制效果好；5、消除系统稳定误差 2.2 BUCK电路的工作原理 Buck变换器主电路如图下所示，其中RC为电容的等效电阻(ESR)。

开关电源闭环设计详细说明

6.4开关电源闭环设计 从反馈基本概念知道：放大器在深度负反馈时，如输入不变，电路参数变化.负载变化或干扰对输出影响减小。反馈越深，干扰引起的输出误差越小。但是，深反馈时，反馈环路在某一频率附加相位移如达到180。，同时输出信号等于输入信号，就会产生自激振荡。 开关电源不同于一般放大器，放大器加负反馈是为了有足够的通频带，足够的稳定増益，减少干扰和减少线性和非线性失真。而开关电源，如果要等效为放大器的话，辙入信号是基准（参考）电压必“ 一般说来，基准电压是不变的；反馈网络就是取样电路，一般是一个分压器，当输出电压和基准一定时，取样电路分压比（厶）也是固定的（"kg。开关电源不同于放大器，部（开关频率）和外部干扰（输入电源和负载变化）非常严重，闭环设计目的不仅要求对以上的部和外部干扰有很强抑制能力，保证静态精度，而且要有良好的动态响应。 对于恒压输出开关电源，就其反馈拓扑而言，输入信号（基准）相当于放大器的输入电压，分压器是反馈网络，这就是一个电压串联负反馈。如果恒流输出，就是电流串联负反馈。 如果是恒压输出，对电压取样，闭环稳定输出电压。因此，首先选择稳定的参考电压.通常为5?6T或2. 5\\要求极小的动态电阻和温度漂移。其?次要求开环增益高，使得反馈为深度反馈，输出电压才不受电源电压和负载（干扰）影响和对开关频率纹波抑制。一般功率电路、滤波和PWM发生电路增益低，只有釆用运放（误差放大器）来获得高增益。再有，由于输出滤波器有两个极点，最大相移180。，如果直接加入运放组成反馈，很容易自激振荡，因此需要相位补偿。根据不同的电路条件，可以采用Venable三种补偿放大器。补偿结果既满足稳态要求，又要获得良好的瞬态响应，同时能够抑制低频纹波和对高频分量衰减。 6. 4. 1概述 图6.31为一个典型的正激变换器闭环调节的例子。可以看出是一个负反馈系统。PWN控制芯片中包含了误差放大器和PWH形成电路。控制芯片也提供许多其他的功能，但了解闭环稳定性问题，仅需考虑误差放大器和PWMo 对于辙出电压仏缓慢或直流变化?闭环当然是稳定的。例如输入电网或负载变化（干扰），引起伉的变化，经用和底取样（反馈网络），送到误差放大器EA的反相输入端，再与加在EA同相输入端的参考电压（输入电压）％比较。将引起EA的输出直流电平% 变化，再送入到脉冲宽度调制器PWM的输入端A。在PWM中，直流电平儿与输入B端0?3V三角 波比较，产生一个矩形脉冲输出，其宽度加等于 三角波开始时间t0到PWM输入B三角波与直流 电平相交时间tl。此脉冲宽度决定了芯片中输出 晶体管导通时间，同时也决定了控制晶体管Q1的 导通时间。久的增加引起仏的增加，因U F UZT. 伉也随之增加。氏増加引起比增加，并因此久的 减少。从三角波开始到tl的厶相应减少，瓦恢复 到它的初始值。当然，反之亦然。 PWM产生的信号可以从芯片的输出晶体管 发射极或集电极输出，经电流放大提供Q1 基极驱 动。但不管从那一点一发射极还是集电极一输出， 必须保证当仏増加，要引起仏减少，即负反馈。 应当注意，大多数PWM芯片的输出晶体管 导通时间是t0到tl。对于这样的芯片，仏送到EA 的反相输入端，PUM信号如果驱动功率7PN晶体 管基极（N沟道MOSFET的栅极），则芯片输出 晶体管应由发射极输出。 然而，在某些P側芯片（TL494）中，它们的 导通时间是三角波仏与直流电平（弘）相交时间到 三角波终止时间t2。对于这样的芯片，如果驱动 NPN晶体管，输出晶体管导通（如果从芯片的输出 图6.31典型的正澈变换器闭环控制

BUCK电路的Saber仿真

功率变换器计算机仿真与设计题目BUCK变换器电路设计 学生姓名 学号 学院 专业电气工程及自动化 班级 指导教师 2013年 10月 20日

一、设计要求 1.1 设计指标： 设计一个BUCK直流变换器，主电路拓扑如图1.1（参数需重新设置），使得其满足以下性能要求： 高压侧蓄电池输入电压V in：30-60V(额定电压48V) 低压侧直流母线输出电压V out：24V 输出电压纹波V out（p-p）：25mV 输出电流I out：2A 开关频率f s：200kHz 电感电流临界连续时I G：0.1A 12 图1.1

二、开环参数计算及仿真 2.1 主电路参数计算： (1)高压侧输入电压V in 变化范围为30-60V ，低压侧输出电压V out 为24V ，则占空比： 8.030 24 min max === in out V V D 4.06024 max min === in out V V D 5.048 24 === innom out nom V V D (2)由于输出电流I out 为2A ，故负载电阻：12out out V R I = =Ω (3)根据电感电流临界连续时I G ：0.1A ，可由下式计算得滤波电感感值： H T I U L U T I L OFF o o CCM o μμ3605)4.01(2 .024 2max min )min(=?-?--==?=?? (4)根据输出电压纹波V out （p-p ）为25mV ，可由下式计算得滤波电容容值： uF f V I C I T C idt C V p p out ripple o p p out T 510 200102582 .082211133)(0) (2=????==?==---? 取F C f μ10=，其中开关频率f 为200KHZ 。 在实际器件中，电容存在寄生电阻，因此实际器件仿真时，电容的选取如下： Ω ====???=??=?-m 125ESR ,600C ,u 520C 25,10652.0min max pp 6 uF F mV V C ESR I V 取而 2.2 开关管及二极管应力计算： （1）开关管的选取 功率管承受的最大电压为60V ，流过开关管电流最大值为2A ，开关管电压电流降额系数均为0.5，则开关管电压要大于或等于120V ，电流最大值要大于4A 。粗略以最大占空比计算电流的有效值为3.2A ，则最大功率为384W ，取400W 。根据仿真,可选irf460作为开关管。 （2）二极管的选取

开关电源控制环设计原理

开关电源控制环设计原理 1. 绪论 在开关模式的功率转换器中，功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。因而，功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。由于理论近似，控制环的设计往往陷入复杂的方程式中，使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。下面几页将展示控制环的简单化近似分析，首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。测试结果和测量方法也包含在其中。 2. 基本控制环概念 2.1 传输函数和博得图 系统的传输函数定义为输出除以输入。它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。在博得图中，增益用对数图表示。因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和，他们的增益可以画成图相加。系统的相位是整个环路相移之和。 2.2 极点 数学上，在传输方程式中，当分母为零时会产生一个极点。在图形上，当增益以20dB 每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输函数和博得图也一并给出。 图1 2.3 零点 零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。在博得图中，零点发生在增益以20dB每十倍频的斜率开始递增的点，并伴随有90度的相位超前。图2描述一个由高通滤波器电路引起的零点。

图2 存在第二种零点，即右半平面零点，它引起相位滞后而非超前。伴随着增益递增，右半平面零点引起90度的相位滞后。右半平面零点经常出现于BOOST和BUCK-BOOST 转换器中，所以，在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕，以使系统的穿越频率大大低于右半平面零点的频率。右半平面零点的博得图见图3。 图3 3.0 开关电源的理想增益相位图 设计任何控制系统首先必须清楚地定义出目标。通常，这个目标是建立一个简单的博得图以达到最好的系统动态响应，最紧密的线性和负载调节率和最好的稳定性。理想的闭环博得图应该包含三个特性：足够的相位裕量，宽的带宽，和高增益。高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间。宽的带宽允许电源系统快速响应线性和负载的突变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。

开关电源的设计方案步骤

【开篇】 针对开关电源很多人觉得难，主要是理论与实践相结合；万事开头难，我在这里只能算抛砖引玉，慢慢讲解如何设计，有任何技术问题可以随时打断，我将尽力来进行解答。设计一款开关电源并不难，难就难在做精；我也不是一个很精熟的工程师，只能算一个领路人。希望大家喜欢大家一起努力!! 【第一步】 开关电源设计的第一步就是看规格，具体的很多人都有接触过；也可以提出来供大家参考，我帮忙分析。 我只带大家设计一款宽范围输入的，12V2A 的常规隔离开关电源 1. 首先确定功率，根据具体要求来选择相应的拓扑结构；这样的一个开关电源多选择反激式(flyback) 基本上可以满足要求 备注一个，在这里我会更多的选择是经验公式来计算，有需要分析的，可以拿出来再讨论【第二步】 2.当我们确定用flyback 拓扑进行设计以后，我们需要选择相应的PWM IC 和MOS 来进行初步的电路原理图设计(sch) 无论是选择采用分立式的还是集成的都可以自己考虑。对里面的计算我还会进行分解 分立式：PWM IC 与MOS 是分开的，这种优点是功率可以自由搭配，缺点是设计和调试的周期会变长（仅从设计角度来说） 集成式：就是将PWM IC 与MOS 集成在一个封装里，省去设计者很多的计算和调试分步，适合于刚入门或快速开发的环境 集成式，多是指PWM controller 和power switch 集成在一起的芯片 不限定于是PSR 还是SSR 【第三步】 3. 确定所选择的芯片以后，开始做原理图(sch)，在这里我选用ST VIPer53DIP(集成了MOS) 进行设计，原因为何(因为我们是销售这一颗芯片的)？ 设计之前最好都先看一下相应的datasheet，自己确认一下简单的参数 无论是选用PI 的集成，或384x 或OB LD 等分立的都需要参考一下datasheet 一般datasheet 里都会附有简单的电路原理图，这些原理图是我们的设计依据 【第四步】 4. 当我们将原理图完成以后，需要确定相应的参数才能进入下一步PCB Layout 当然不同的公司不同的流程，我们需要遵守相应的流程，养成一个良好的设计习惯，这一步可能会有初步评估，原理图确认，等等，签核完毕后就可以进行计算 一般有芯片厂家提供相关资料 【第五步】 5. 确定开关频率，选择磁芯确定变压器 芯片的频率可以通过外部的RC 来设定，工作频率就等于开关频率，这个外设的功能有利于我们更好的设计开关电源，也可以采取外同步功能。 一般AC2DC 的变换器，工作频率不宜设超过100kHz，主要是开关电源的频率过高以后，不利于系统的稳定性，更不利于EMC 的通过性 频率太高，相应的di/dt dv/dt 都会增加，除PI 132kHz 的工作频率之外，大家可以多参