数字式Buck变换器的设计与仿真.doc

数字式 Buck 变换器的设计与仿真 - 1 -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 ...........................................................................................................- 4 -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 ............................................................................................................- 7 -2.2.4 开关管 Q 的选取 .....................................................................................................- 7 -2.2.5 续流二极管 D 的选取 ..............................................................................................- 8 -3 Buck 变换器闭环控制的参数设计 ................................................................................................- 9 -3.1 闭环控制原理 ....................................................................................................................- 9 -3.2 Buck 变换器的闭环电路参数设计 ....................................................................................- 10 -3.2.1 Gvd(s)的传递函数分析 ..........................................................................................- 10 -3.2.2 补偿环节 Gc(s)的设计 ..........................................................................................- 13 -3.2.3 补偿环节参数设计 ................................................................................................- 15 -4 Buck 变换器闭环仿真 ................................................................................................................- 19 -4.1 Buck 变换器闭环仿真参数及指标 ....................................................................................- 19 -4.2 Buck 变换器闭环仿真电路原理图 ....................................................................................- 20 -4.3 Buck 变换器的闭环仿真结果与分析 ................................................................................- 20 -1 Buck 变换器技术1.1 Buck 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 - 2 -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 1.2V i nQ fCfLRDU bU o+-A图 1.1 Buck 变换器电路U b0A00tttV i nLi LiQ O NQ O f f图 1.2 Buck 变换器的主要工作波形1.2 Buck 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：（式 1-1）dtiLUoi电感中的电流线性上升，式 1-1 可写成：（式 1-2）ononmiaxoi Tii（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：（式 1-3）dtiLU0o电感中的电流线性下降，式 1-3 可写成： - 3 -（式 1-4）ofofminaxofmaxino TiLiTLU式中 Toff 为开关管 Q 的关断时间在稳态时， ，联解式 1-2 与式 1-4 可得：iinf（式 1-5）ioD输出电流平均值：（式 1-6）)i21Iomnaxo（+-V i nQ fCLRDU bU o+-A图 1.3(a) [t0~t1]+-V i nQ fCLRDU bU o+-A图 1.3(b) [t1~t2]U b0A00tttV i nLi Lit 0 t 1 t 2Q O NQ O f f图 1.3(a) [t1~t2]的主要工作波形U b0A00tttV i nLi Lit 0 t 1 t 2Q O NQ O f f图 1.3(b) [t1~t2]的主要工作波形1.3 Buck 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， 为常数由式 1-6 可见，当负载电流减i少到 时， ，此时最小负载电流 ，即为电感临界连续电流 ：0iomniiomaxominI GI（式 1-7）2ii1IoaxoinG由式 1-2 及式 1-5 得 ，带入式 1-7 得：i - 4 -（式 1-8）)D1(L2TUIiG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：（式 1-9）8Iimax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：（式 1-10）)Tii21TI'of'ono（式中， 为开关管关断后电感电流持续的时间，并且：'ofT（式 1-11）'of'ofninTUL1i)）（（ 稳态时， ，由式 1-11 得：'ofni（式 1-12）oni'ofT将式 1-11 及式 1-12 带入式 1-10 得：（式 1-13）oi2GmaxoUD4I/即： （式 1-）2GmaxoioI/(1/14）0T o nT o f f'Li t图 1.4 电感电流断续时电流波形可见在电流断续区，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。

- 5 -2 Buck 变换器参数设计2.1 Buck 变换器性能指标 输入电压：Vin=10VDC； 输出性能：Vout=5VDC；Vout(p-p)<=0.2v；Iout=10A；当 Iout=0.1A 时，电感电流临界连续 开关频率：fs=200KHz2.2 Buck 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：D=Uo/Ui=5/10=0.5 （式 2-1）2.2.2 滤波电感 Lf（1）滤波电感量 Lf 计算变换器轻载时，如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，占空比大为减小，也就是说开关管导通时间很短如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态所以，以最小输出电流 Iomin 作为电感临界连续电流来设计电感，。