(完整word版)基本建模法建立理想Buck电路的小信号模型
Buck-Boost电路建模及分析
题目：Buck-Boost电路建模及分析摘要：作为研究开关电源的基础，DC-DC开关变换器的建模分析对优化开关电源的性能和提高设计效率具有重要意义。
而Buck-Boost电路作为DC-DC开关变换器的其中一种电路拓扑形式，因其输出电压极性与输入电压相反，而幅度既可比输入电压高，也可比输入电压低，且电路结构简单而流行。
为了达到全面而深入的研究效果，本文对Buck-Boost电路进行了稳态分析和小信号分析。
稳态分析中，首先介绍了电路工作原理，得出了两种工作模式下的电压转换关系式，并同时可知基于占空比怎样计算其输出电压以及最小最大电感电流和输出纹波电压计算公式；接着推导了状态空间模型，以在MATLAB中进行仿真；而最后仿真得到的电感电流、输出电压的变化规律符合理论分析。
小信号分析中，首先推导了输出与输入间的传递函数表达式，以了解低频交流小信号分量在电路中的传递过程；接着分析其零极点，且仿真绘制波特图进行了验证。
经过推导与研究，稳态分析和小信号分析下仿真得到的变化规律均与理论上的推导一致。
关键词：Buck-Boost；稳态分析；小信号分析；MATLAB仿真1.概论现代开关电源有两种：直流开关电源、交流开关电源。
本课题主要介绍直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源，如市电电源或蓄电池电源，转换为满足设备要求的质量较高的直流电源，即将“粗电”转换为“精电”。
直流开关电源的核心是DC-DC变换器。
作为研究开关电源的基础，DC-DC开关变换器的建模分析对开关电源的分析和设计具有重要意义。
DC-DC开关变换器最常见的三种电路拓扑形式为：降压(Buck)、升压(Boost)和降压-升压(Buck-Boost) [1]，如图1-1所示。
其中Buck-Boost变换器因其输出电压极性与输入电压相反，而幅度既可比输入电压高，也可比输入电压低，且电路结构简单而流行。
(a) Buck型电路结构(b) Boost型电路结构(c) Buck-Boost型电路结构图1-1 DC-DC变换器的三种电路结构本课题针对Buck-Boost变换器的建模分析进行深入研究，以优化开关电源的性能和提高设计效率。
16、buck-boost变换器DCM小信号建模
一、buck-boost 变换器原理图
VT
VD
Vo(t) Vc(t)
VL（t） L
CR
Vg（t）
+
二、分析
1、当 MOSFET 导通时
������ (������) = ������
������������ (������)
������ (������) = ������ ∗
= ������
������������
������������ (������) ������ =
7.2 ∗ 10 ������ + 300 ������ (������) = −
2.56 ∗ 10 ������ + 1.6 ∗ 10 ������ + 1.6 MATLAB 程序如下： >>num=-[7.2*10^(-3),-300]; >>den=[2.56*10^(-7),1.6*10^(-4),1.6]; >>figure(2);bode(num,den);grid; Bode 图如下：
������ ������������������
∗ ������ +1
+
������������
=
������
������ ∗ ������
������ ∗ ������
=
∗ ������ + ������������ ∗ (������������������ + 1) ������ ������������������ + ������������ + ������
Buck变换器建模和仿真
Buck 变换器的建模与仿真(一)Buck 变换器的性能指标带有反馈控制回路Buck 变换器的电路图如图（1-1）所示，我们假定其工作在CCM 方式。
其基本电路参数为： 输入电压g V =2030V 输出电压V =12V 输出纹波125mV （1%）电压跌落250mV （最大，2003out I mA A =） 开关频率s f =100kHz 最大输出电流4A输入电流最大纹波0.4A(峰峰值)图（1-1）带有反馈控制回路的直流斩波电路（二）Buck 变换器参数的选择 1. 滤波电感0L 的选择 由diu Ldt=得 6.max 0.max ()(3012)410180H 0.14in out on out V V T dt L u di I μδ--⨯-⨯⨯====⨯⨯这里我们取0L 为180H μ 最大负载时的峰值电流为.max .max 40.054 4.22peak out out I I I A δ=+=+⨯=2. 滤波电容0C 的选择 由dui cdt=得 其向量形式为I j cU ω=I jcUω=所以需要穿越频率的带宽为2outc out outI f C V π∆=∆如果假定穿越频率为10kHz250892.8out c out V mZ m I ∆===Ω∆ 原则上为了留有设计裕量，电阻的阻抗按13计算阻抗选取 根据上面计算结果，我们可以在Rubycon 公司的ZL 系列，16V 中选取以下规格：C=330F μ,760C rms I mA =@105A C =︒ ,72ESR low R m =Ω@20A T C =︒ ,220ESR low R m =Ω@10A T C =-︒电容ESR 的阻抗应小于输出电容在穿越频率处的阻抗11482 6.2810330c out m f C k π==Ω⨯⨯86c Z m ≤==Ω设计余量不足，我们重新选ZL 系列中C=1000F μ，同样的过程，我们可以得出满足条件。
15、buck变换器DCM小信号建模
一:BUCK 变换器电路原理图 L
+ Vg
-
iL(t)
+ vL(t) -
D
C
+
带入参数得：
0.536 ∗ 3 ������ (������) =
7.5 ∗ 10 ∗ ������ + 5 ∗ 10 ∗ ������ + 3
② 、控制扰动与输出扰动的传递函数： 忽略输入扰动的作用，其小信号模型等效电路图为：
L
iL
d Vg
C
R
v
������
∗
1 ������������
������(������) ������ ������(������)
MATLAB 程序如下： >>num=[0.536*3]; >>den=[7.5*10^(-8),5*10^(-5),3]; >>figure(1);bode(num,den);grid; Bode 图如下：
RV -
iD(t)
二、分析
1、当 MOSFET 导通时
������ (������) = ������ − ������
������������ (������)
������ (������) = ������ ∗
= ������ − ������
������������
������������ (������) ������ − ������
基本建模法建立理想Buck电路的小信号模型
利用基本建模法建立理想Buck 电路的小信号模型：一 求平均变量模态1：电感电压和电容电流的表达式L g d ()()=()()d i t v t Lv t v t t=- d ()()()=()d C v t v t i t Ci t t R=- 当变换器满足低频假设和小纹波假设时，s s L g d ()()=()()d T T i t v t Lv t v t t≈〈〉-〈〉 s s ()d ()()=()d T C T v t v t i t C i t t R〈〉≈〈〉-模态2：电感电压和电容电流的表达式L d ()()=()d i t v t Lv t t=- d ()()()=()d C v t v t i t Ci t t R=- 当变换器满足低频假设和小纹波假设时，s L d ()()=()d T i t v t Lv t t≈-〈〉 s s ()d ()()=()d T C T v t v t i t C i t t R〈〉≈〈〉-进一步得到电感电压与电容电流在一个开关周期内的平均值：s s s s L g ()=(t)(()())(1())(())T T T T v t d v t v t d t v t 〈〉〈〉-〈〉+--〈〉sss s s ()()()=()(())(1())(())T T C T T T v t v t i t d t i t d t i t RR〈〉〈〉〈〉〈〉-+-〈〉-整理后，得ss s g d ()()()()d T T T i t L d t v t v t t 〈〉=〈〉-〈〉sss d ()()()d T T T v t v t Ci t tR〈〉〈〉=〈〉-二 分离扰动g ˆd[+()]ˆˆˆ(())[()][()]d g I i t L D d t V v t V v t t=++-+ ˆˆd[()]()ˆ()d V v t V v t CI i t t R++=+- 合并同类项后，g ˆ()ˆˆˆ()()d()-()d g g dI di t L DV V Dvt V t v t dt t+=-++ ˆˆd d ()()ˆ()()d d V v t V vt C I i t t t R R+=-+- 分离直流项和交流项，g =ˆ()ˆˆˆ()d()-()d g g dILDV V dtdi t L Dv t V t v t t -=+d d ˆˆd ()()ˆ()d V VCI t R v t v t C i t t R =-=-三 线性化g ˆ()ˆˆˆ()d()-()d g di t L Dvt V t v t t=+ ˆˆd ()()ˆ()d v t v t Ci t t R=- 又in ˆˆˆ()=()+()it Di t Id t 则可以得到理想Buck 电路模式下交流小信号等效电路模型：R CL.DV g d (t )^V (t )^⑴vg 2ˆ(s)ˆ(s)=|(s)=0=ˆ()1g vDG d L vs s LC s R++⑵gvg 2ˆ(s)(s)==ˆ()1V vG Ld s s LC s R++⑶开环输入阻抗22s +s+1(s)=1L LC R R Z D RCs + ⑷开环输出阻抗2s(s)=s+1L Z LLCs R+（注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。
Buck电路建模实验指导
Buck电路建模实验指导一、实验目的1.掌握Buck电路的基本建模方法2.掌握利用波特图设计Buck电路控制器的基本方法3.通过实验观察不同控制器参数对电路静态和动态性能的影响二、实验设备1.示波器2.Intersil ZL6100VAL1Z 评估板3.12V直流电源4.20A空开，0.1Ω/15W负载5.电脑三、实验原理1.图1所示为本次实验所采用的Buck电路原理图。
表1列出了电路的主要参数。
图1. Buck电路原理图表1. 主要参数输入电压 V in 12V 负载 R o 0.1Ω输出电压 V o 1.2V 开关频率 f s 400kHz滤波电感 L 360nH MOSFET S1 30V/12A滤波电容 C 2.54mF MOSFET S2 30V/23A电容ESR R C 0.4mΩ 额定功率 P o 18W2.图2所示为实际电路连接图。
图2 实际电路连接示意图3. 电路的控制框图如图3所示。
其中虚线框内为数字控制器。
图3 电路控制框图已知采样增益H =64000，数字PWM 增益1812DPWM G =。
从控制量到电路输出的传递函数G vd 需要根据通过建模得到。
之后，根据求得的电路模型合理的设计数字控制器中的补偿环节G comp 。
4. 数字补偿器说明实验所采用的评估板提供了一种指定类型的数字补偿器，其增益‐频率特性如图4所示。
允许同学们通过配置两个零点和一个极点设计补偿器，补偿器的传递函数可以写为()22122211111z z z n n comp p p s s s s Q G s G G s s s s ωωωωωω⎛⎞⎛⎞++++⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠==⎛⎞⎛⎞++⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠其中12z z z Q =n ω=。
图4 数字补偿器增益‐频率特性5. CompZL TM Simulation Tool 辅助设计软件界面介绍这款配套的软件提供了辅助设计数字控制器的一种方法，可以对设计好的补偿器参数进行核对和校正。
10、buck变换器小信号建模
一:BUCK 变换器电路原理图二：线性化若BUCK 变换器工作在某一静态工作点 稳态占空比 dt D ，稳态输入电压sg g v t =T V ，电感电流，电容电压，和输入电流si t v t ssgT T T i t 的稳态值分别为I ，V ，g I 。
当电路达到稳态时，由电感电压的伏秒平衡原理0ssTL T d i t L v t d t，并代入占空比和各电量的稳态值，有g V DV ；根据电荷平衡原理，0ssT C T d v t Ct dt，有0VDI R ，对于输入电流有g I DI 。
如果对输入电压和输入电流在其工作点附近做微小扰动，即ˆsg g g T v t V v ，引起buck 变换器各状态变量和输入电流量的微小扰动，即 ˆd t D dt ，ˆsT i t I it ，ˆsT v t V vt ，ˆsg g g T i t I it ，则 ˆˆˆˆg g d I i t L D d t V v t V v t dt，即ˆˆˆˆˆˆg g g g di t dI L DV V Dv t V d t v t d t v t dt dt ，其中包含直流项，一阶交流项，二阶交流项，忽略二阶交流项，则有 ˆˆˆˆg g di t L Dvt V d t v t dt，同理，对于电容 ˆˆˆd V v t V v CI i t dt R，可以简化为 ˆˆˆdv t v t C i t dt R，输入电流方程为 ˆˆˆg g I i D d t I i t 。
汇总得到buck 变换器线性化交流小信号交流模型为：ˆˆˆˆˆˆˆˆˆg g g dv t v t Ci t dt R I i D d t I i t it Di t Id t三：小信号等效电路ˆg v t t四：MATLAB 仿真。
完整word版,boost小信号建模
3 （30分）Project: Control Loop Design and Simulation of a Boost Converter Fig.1 shows a circuit diagram of a boost converter and the parameters for circuit elements.Fig.1. Boost converter circuit diagram and system parameters1）Derive the large-signal average model of the boost converter and draw the corresponding circuit diagram.2）Derive the small-signal model of the boost converter and draw the corresponding circuit diagram.3）From the small-signal model, derive the control to output transfer function (G vd) and plot its frequency-domain response (Bode plot) with MATLAB ‘bode’ command. 4）Design a controller to compensate the open-loop Bode plot with MATLAB‘sisotool’ toolbox. Clearly mark the poles and zeros of the designed controller and the phase margin of the compensated system. Write down the controller transfer function.5）Simulate the performance of the compensated converter system inMATLAB/Simulink with the converter average model and the designed controller. Add disturbances to the input voltage and load power and record the output voltage waveforms.A report containing the above five aspects is required.准备工作：小信号模型是一种平均模型，它是假设在稳态情况下，对系统加一低频的交流扰动信号，然后可以得到扰动信号之间的传递函数。