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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这个值是电感电流连续与否的临界值，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；D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值=（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；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）：直流电压整体波形如下所示：细微波形如下所示：计算稳态直流纹波电压：利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“Variable Editor– buck.signals(1,4).values”下，观察直流电压瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为4.308628V，最小值为4.286866V，所以得到仿真结果与理论值基本相同2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比电感电流波形如下所示：计算电流波动值：利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“Variable Editor – buck.signals(1,3).values”下，观察电感电流瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8390A，最小值为0.0076A，所以得到。

理论计算如下所示：仿真结果与理论值基本相同3)修改占空比，观察直流电压值的变化A．占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.418V；B．占空比Dc=50%时，直流电压的波形值如下所示，大小为9.589V；C．占空比Dc=70%时，直流电压的波形值如下所示，大小为13.95V；分析：；；.随着占空比的增加，由公式，可知输出电压值逐渐增加4)将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型(只仿真开关频率10k时的情况，使用理论计算的占空比)：记录电感电流波形，观察不连续电流的波形；记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，与理论公式对比，并与同一占空比下电流连续时的直流电压值进行比较；计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较（需根据电流波形计算D2的大小）电感电流波形如下所示（电流出现断续）： 从上图中可以读到，，， ，得到，；直流电压波形如下所示（稳态直流电压值为6.462V）：从上图中可以读到，；在同一占空比下连续电流时，直流电压值为4.298V；由连续电流和断续电流下的电压值相比较，可以看到连续电流下的直流电压值较小，断续时的直流电压值较大理论公式如下：其中，，；可见实验测量值与理论计算值基本相近。

理论计算稳态直流纹波电压：可见与仿真中得到的0.065V相近二）开关频率为50Hz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%；实验记录稳态直流电压值为4.396V；直流电压波形如下所示：计算稳态直流纹波电压：利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“Variable Editor – buck.signals(1,4).values”下，观察直流电压瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为4.405408V，最小值为4.383011V，所以得到仿真结果与理论值基本相同2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比电感电流波形如下所示：计算电流波动值：利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“Variable Editor – buck.signals(1,3).values”下，观察电感电流瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8723A，最小值为0.0100A，所以得到。

理论计算如下所示：仿真结果与理论值基本相同3)修改占空比，观察直流电压值的变化A．占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.456V；B．占空比Dc=50%时，直流电压的波形值如下所示，大小为9.579V；C．占空比Dc=70%时，直流电压的波形值如下所示，大小为13.68V；分析：；；.随着占空比的增加，由公式，可知输出电压值逐渐增加 2010.05.29附加　电源网讯　　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　　图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/TsBoost变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器　　开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。

电感Lf在输入侧，称为升压电感Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管　　Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式LDO的特点：① 非常低的输入输出电压差② 非常小的内部损耗③ 很小的温度漂移④ 很高的输出电压稳定度⑤ 很好的负载和线性调整率⑥ 很宽的工作温度范围⑦ 较宽的输入电压范围⑧ 外围电路非常简单，使用起来极为方便　　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器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）其具体的电路由以下几类：　　（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压 U0小于输入电压Ui，极性相同　　（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压 U0大于输入电压Ui，极性相同　　（3）Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其 输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

　　（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电 压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输　　DC-DC分为BUCK、BUOOST、BUCK-BOOST三类DC-DC其中BUCK型DC-DC只能降压，降压公式：Vo=Vi*D　　BOOST型DC-DC只能升压，升压公式：Vo= Vi/(1-D)　　BUCK-BOOST型DC-DC，即可升压也可降压，公式：Vo=(-Vi)* D/（1-D）　　D为充电占空比，既MOSFET导通时间0

这种特别的调制过程可以保证高达80％的效率，而且只需外接陶瓷电容由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI(电磁干扰)　　首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压附加21 引 言目前，电力电子整流装置在生产生活中应用越来越广，特别是计算机和家用电器中大量使用开关电源使得电力网输入侧波型畸变，功率因数降低因而使用带功率因数校正的开关电源对于电网的谐波治理和提高供电质量有很重要的意义传统的整流装置使用电桥整流加大的电容滤波使得交流侧输入电流为一尖峰电流，这是使交流侧输入功率因数降低的主要原因（如图1）因此改变电路结构以使输入侧电流跟随输入电压就可以改善功率因数现在双级PFC（Power Factor Correction）的应用已经很成熟，它采用BOOST变换器作为前级PFC主电路，它的优点在于可以做到功率因数近似为1，但它控制复杂，成本高，适合用于中等功率的电源对于中小功率的PFC控制最简、性能可靠、功率因数高成了设计者追求的目标一般中小功率采用单级（Single Stage）PFC近年来国内外许多文章对单级PFC做了大量研究，提出了很多实现方案单级PFC可以采用BUCK-BOOST电路来实现，同时采用反激变换器（flyback conventer）隔离。

2 BUCK-BOOST变换器实现APFC的原理BUCK-BOOST变换器是升降压型电路，它使得输入端电压不必低于Vc，同时易于实现反激变换（flyback converter）电路工作于DCM模式，这样可以获得高功率因数和稳定快速的调节输出（文献1已有论述）电路图如图2所示，假设负载为一电阻Rload，S为开关BUCK-BOOST变换器有两种工作状态如图3a) 开关S导通，电源加到L上，负载由C供电L上电压为Vg，L上的电流线性增加b) 开关S断开，电感上的能量向Rload释放，电感电流减小到0电感上的电压为Vdc设工频交流电压为Vm(t)=Vpsin(ωt) (1)其中Vp为交流电压幅值、ω为输入工频交流电压的角频率当S导通时有 D1为开关导通比，Ts为开关周期，如图4所。