buck变换电路设计
Buck变换器的设计与仿真
S a b e r仿真作业Buck变换器的设计与仿真目录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 ............................................................................................................ - 3 -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 ............................................................................................................. - 6 -2.2.4 开关管Q的选取...................................................................................................... - 7 -2.2.5 续流二极管D的选取 .............................................................................................. - 7 -3 Buck变换器开环仿真................................................................................................................... - 7 -3.1 Buck变换器仿真参数及指标.............................................................................................. - 7 -3.2 Buck变换器开环仿真结果及分析 ...................................................................................... - 8 -4 Buck变换器闭环控制的参数设计................................................................................................. - 9 -4.1 闭环控制原理..................................................................................................................... - 9 -4.2 Buck变换器的闭环电路参数设计 .................................................................................... - 10 -4.2.1 Gvd(s)的传递函数分析 .......................................................................................... - 10 -4.2.2 补偿环节Gc(s)的设计........................................................................................... - 12 -4.2.3 补偿环节参数设计................................................................................................. - 14 -5 Buck变换器闭环仿真................................................................................................................. - 18 -5.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标 .................................................................................... - 18 -5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图 .................................................................................... - 19 -5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析................................................................................. - 19 -6 总结 ........................................................................................................................................... - 21 -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。
(完整word版)Buck变换器的设计与仿真
目录1 Buck变换器技术........................................................................................................................... - 1 -1.1 Buck变换器基本工作原理............................................................................................... - 1 -1.2 Buck变换器工作模态分析............................................................................................... - 2 -1。
3 Buck变化器外特性........................................................................................................ - 3 -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。
Buck变换器环路设计(修改)
Buck 变换器的环路设计1．功率级传递函数R1L1Q1buck 变换器功率级电路示意图其传递函数为1)(1121+⋅⋅++⋅⋅+⋅⋅=s C R ESR s C L s C ESR V V out out out i o 分子为一阶微分环节，有一个零点，其转折频率为outzero C ESR f ⋅=π21分母为二阶积分环节，其阻尼系数12L C R out=ζ，其中ESR R R +=1当1>ζ时，系统为过阻尼状态，有两个不同的极点。
当1=ζ时，系统为临界阻尼状态，有两个相同的极点。
当1<ζ时，系统为欠阻尼状态，有两个共轭的复数极点。
在DCDC 变换器中，为了获得较高的效率，会尽可能的减小R 的值，所以通常系统都是处在欠阻尼状态。
10210310410520102103104105典型的buck 变换器功率级幅频和相频特性曲线。
参数：Cout=100uF ，L1=2.2uH ，ESR=1m Ω,R1=10m Ω在功率级的传函中，有一个由ESR 和Cout 构成的零点。
当ESR 比较小时，幅频曲线在转折频率后会以-40db/dec 衰减，相频曲线也会由0deg 急剧的下降为－180deg 。
在控制回路的环路补偿中就必须增加额外的相位超前补偿，否则不能满足要求的相位裕度。
当ESR 较大时，由ESR 和Cout 组成的零点会抵消到一个极点，控制回路中不需要额外的相位超前补偿，就能满足要求的相位裕度。
下图为ESR=100m Ω（其余参数相同）的幅频和相频特性曲线。
可以看出，其相位最低降到-100deg ，尚有80deg 的相位裕度。
1021031041050101021031041052． PWM 控制级传递函数在电压反馈系统中，PWM 控制器采用固定的三角波与反馈回来的电压比较，控制占空比。
三角波的周期为T ，上升段的时间为T 1，幅值为△V ，则，TT V V D K compPWM 11⋅∆==3． 环路补偿为获得比较高的稳态精度，系统总是要设计成为I 型系统，因为I 型系统的稳态误差为零。
buck电路设计
Buck变换器设计——作业一．Buck主电路设计1.占空比D计算2.电感L计算3.电容C计算4.开关元件Q的选取二. Buck变换器开环分析三. Buck闭环控制设计1.闭环控制原理2.补偿环节Gc(s)的设计——K因子法3.PSIM仿真4. 补偿环节Gc(s)的修正——应用sisotool5．修正后的PSIM仿真四．标称值电路PSIM仿真五．设计体会Buck变换器性能指标:输入电压：标准直流电压48V，变化范围：43V~53V输出电压：直流电压24V ，5A 输出电压纹波：100mv 电流纹波：0.25A 开关频率：fs=250kHz 相位裕度：60 幅值裕度：10dB一. Buck 主电路设计：1.占空比D 计算根据Buck 变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D 的变化范围。
.50V48V 24U U D .4530V 53V 24U U D 0.558V 43V24U U D innom o nommax in o minmin in o max =========2.电感L 计算uH 105f i 2)D U -(U i 2)T U -(U L sL min o inmax Lon(min)o inmax =∆=∆=3.电容C 计算uF25.1250000*1.0*825.0vf 8i C s L ==∆∆=电容耐压值：由于最大输出电压为24.1V ，则电容耐压值应大于24.1V 。
考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故电容选取120uf/50V 电容。
4.开关元件Q 的选取该电路的输入电压是43V~53V ，则开关管耐压值为53V ，电流的最大值为A 25.525.0A 5i I I L o Qp =+=∆+=，其开关频率为KHz 250f =，因此选用的MOSFET 管MTD6N15T4G ，其额定值为A 6/V 150。
Buck 主电路传递函数Gvd （s ）占空比d （t ）到输出电压Vo （t ）的传递函数为：220zinvd /s Q /s 1/s 1U )s (G ωωω+++=其中，CR 1,)C R R /L (1Q ,/R)R LC(11esr z esr 0esr 0=+=+=ωωω取R esr=50m Ω，负载R=4.8Ω，又知L=105uH ，C=120uF ，可求得ω0=8862.7rad/s ，f 0=ω0/2π=1410.5Hz ，Q=4.0269，ωz=166670rad/s ，fz=ωz/2π≈26526Hz 。
BUCK变换器设计
BUCK变换器设计报告一、BUCK变换器原理降压变换器（Buck Converter）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。
它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。
它主要用于直流稳压电源。
二、BUCK主电路参数计算及器件选择1、BUCK变换器的设计方法利用MATLAB和PSPICE对设计电路进行设计，根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真，再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计，比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等，选取性能优良的模型进行电路搭建。
2、主电路的设计指标输入电压：标称直流48V，范围43~53V输出电压：直流24V，5A输出电压纹波：100mV电流纹波：0.25A开关频率：250kHz相位裕量：60°幅值裕量：10dB3、BUCK 主电路主电路的相关参数：开关周期：T S =s f 1=4×10-6s占空比：当输入电压为43V 时，D max =0.55814当输入电压为53V 时，D min =0.45283输出电压：V O =24V 输出电流I O =5A纹波电流：Δi L =0.25A纹波电压：ΔV L =100mV电感量计算：由Δi L =2Lv -V o max -in DT S 得： L=L o max -in i 2v -V ΔD min T S=25.022453⨯-×0.4528×4×10-6=1.05×10-4H 电容量计算：由ΔV L =Ci L 8ΔT S 得： C=L L V 8i ΔΔT S =1.0825.0⨯×4×10-6=1.25×10-6F 而实际中，考虑到能量存储以及输入和负载变化的影响，C 的取值一般要大于该计算值，故取值为120μF 。
实际中，电解电容一般都具有等效串联电阻，因此在选择的过程中要注意此电阻的大小对系统性能的影响。
降压型(BUCK)DC-DC电路的设计与制作设计报告
课题三：降压型（BUCK）DC-DC电路的设计与制作姓名：学号：得分：一、实验目的1). 学习和了解DC-DC变换电路的特点；2). 掌握降压型（BUCK）DC-DC电路的结构和工作原理；3). 熟悉强、弱电电路的隔离应用；4). 培养电子电路的设计能力和基本应用技能。
二、课题任务1）设计参数要求：=12V；① DC-DC主电路输入电压VI②输出电压: V=5V；O=1A；③输出电流：IO④输出电压纹波峰-峰值 V≤50mV，即纹波≤1%；pp=5W。
⑤额定输出功率PO2）PWM驱动信号：=20kHz；① PWM驱动信号频率fS② PWM驱动信号占空比可调；3）驱动电路：驱动电路应为单端输入、双端浮地输出。
5）撰写完整的实习报告。
三、实验原理BUCK电路就是降压电路，开关S闭合的时候，VD二极管承受负压关断，电感充电，电流正向流动，电流值呈现指数上升趋势。
开关S断开的时候，VD 二极管起续流作用，电感开始放电，电流逐渐下降，通过负载和二极管回到电感另外一端，短暂供电。
这样电压就能降低。
实际使用的时候，S开关是通过MOSFE 或者IGBT实现的，输出电压等于输入电压乘以PWM波的占空比。
开关电源总的来分有隔离型和非隔离型电路。
所谓非隔离型电路是根据电路形式的不同，可以分为降压型buck电路、升压Boost型电路、升降压Buck-Boost 型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电路、Zeta型电路。
我们这里主要分析降压型DC-DC转换器的工作原理，Buck电路如图1所示。
图中功率MOSFET为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定;L和C为滤波元件;开关截止时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。
控制电路输出信号使开关管VT导通时，滤波电感L中的电流逐渐增加，因此贮能也逐渐增大，电容器C开始充电。
忽略MOSFET的导通压降，MOSFET源极电压应为Uin。
图1 降压变换器原理图当施加输入直流电压Ui后，降压型电路需经过一段较短时间的暂态过程，才能进入到稳定工作状态。
buck型dc-dc变换器中保护电路的设计
buck型DC-DC变换器是一种常见的电源转换器，用于将高压直流电源转换为稳定的低压直流电源，广泛应用于电子设备和通信系统中。
在设计buck型DC-DC变换器时，保护电路的设计至关重要，可以有效保护电路和相关元器件，提高整个系统的可靠性和稳定性。
本文将从保护电路的设计入手，对buck型DC-DC变换器进行深入研究和分析。
1. 保护电路的作用保护电路是buck型DC-DC变换器中的重要组成部分，其主要作用是防止过流、过压、过温等异常情况对电路和元器件造成损坏。
通过及时检测异常信号并采取相应的保护措施，可以有效避免电路的故障和损坏，延长系统的使用寿命。
2. 过流保护电路设计过流是buck型DC-DC变换器中常见的故障情况之一，如果电流超过设定的安全范围，将会对电路和元器件造成严重的损害。
在设计过流保护电路时，需要合理选择电流传感器和保护元件，并设置合适的保护触发门槛。
常用的过流保护电路包括电流限制器、熔断器和过流保护芯片等，通过这些器件的合理组合可以实现对电路的有效保护。
3. 过压保护电路设计过压是另一种常见的故障情况，当输入电压超过设定的安全范围时，将对电路和元器件产生严重的影响。
在设计过压保护电路时，需要考虑输入电压的波动范围和保护触发门槛，并选择合适的过压保护器件进行搭配。
常用的过压保护电路包括过压保护芯片、击穿二极管和电容滤波器等，通过这些器件的合理配置可以有效防止过压对电路的损坏。
4. 过温保护电路设计过温是buck型DC-DC变换器中的另一个重要故障情况，当工作温度超过元器件的最大承受温度时，将会导致电路的失效和损坏。
在设计过温保护电路时，需要合理选择温度传感器和保护器件，并设置适当的保护触发温度。
常用的过温保护电路包括温度开关、热敏电阻和温度保护芯片等，通过这些器件的合理配置可以实现对电路的及时保护。
5. 其他保护电路设计除了上述提到的过流、过压和过温保护电路外，buck型DC-DC变换器的保护系统还需要考虑短路保护、输入欠压保护和输出失稳保护等其他故障情况。
BUCK变换器设计报告
BUCK变换器设计报告一、BUCK主电路参数计算及器件选择1、BUCK变换器设计方法利用计算机设计BUCK变换器，首先要选取合适的仿真软件。
本文采用MATLAB和PSIM设计软件进行BUCK变换器的综合设计。
在选取好设计软件之后，先根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真。
如果开环仿真结果不能满足设计要求，再考虑选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计。
设计好闭环控制器后，对其进行闭环函数的仿真，选取超调小、调节时间快的闭环控制器搭建模型进行电路仿真。
2、主电路的设计BUCK变换器设计指标输入电压：标称直流电压48 V，范围：43 V～53 V ；输出电压：直流24 V ；输出电流：直流5 A ；输出电压纹波：100 mV ；输出电流纹波：0.25A ；开关频率：250 kHz ；相位裕量：60；幅值裕量：10 dB 。
设计要求计算主回路电感和电容值；开关器件选用MOSFET，计算其电压和电流定额；设计控制器结构和参数；画出整个电路，给出仿真结果。
根据设计指标，采用BUCK电路作为主电路，使用MOSFET元件作为开关元件，这是因为MOSFET的开关速度快，工作频率高，可以满足250khz的开关频率，此外，MOSFET与其他开关器件最显著的不同，是MOSFET具有正温度系数，热稳定性好，可以并联使用，其他开关器件不具有此特性。
（1）BUCK电路的主电路的拓扑图：（2）主电路的基本参数计算:开关周期：Ts=1/f s=4∗10−6s=0.5占空比(不考虑器件管压降)：D=v0v in=0.5581V in=43V时，Dmax=v0v inV in=53V时，Dmin=v0=0.4528v in输出电压：V o=24V；输出电流：Io=0.25A;额定负载：R=V o÷Io=4.8Ω纹波电流：△I=0.25A；纹波电压：△V=100mV电感量理论值计算：由：，得：，电容量理论值计算：由：，得考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故取C=120uF.由于电解电容一般都具有等效串联电阻R esr,因此在选择的过程中需要注意此电阻的大小对系统性能的影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
南京工程学院
自动化学院
电力电子技术课程设计报告
题目： Buck变换电路的设计
专业：自动化
班级：自动化 124 学号： 8
姓名：陈猛
指导教师：赵涛
起迄日期：——
设计地点：工程中心4-207
目录
1 引言
2 设计任务及要求
设计任务
设计内容
3 设计方案选择及论证
控制芯片的选择
驱动芯片的选择
4 总体电路设计
5 功能电路设计
主电路的设计
驱动电路的设计
控制电路的设计
辅助电源的设计
6 电路仿真与调试
7 设计总结
8 参考文献
BUCK变换电路设计
1 引言
本次电力电子装置设计与制作，利用Buck降压斩波电路，使用
TL494作为控制芯片输出脉冲信号从而控制MOS管的开通与关断。
为了将MOS管G极和S极隔离，本设计采用了集成的驱动芯片。
另外本设计还加入了反馈环节，利用芯片自身的基准电压与反馈信号进行比较来调节输出脉冲的占空比，进而调整主电路的输出电压维持在一个稳定的电压状态。
根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路。
2 设计任务及要求
设计任务：
设计一降压斩波电路，采用BUCK电路。
输入直流电源：DC18~30V，输出电压为输入电压50%~100%可调：输出额定电流2A，电流峰峰值不大于，输出电压纹波不大与5%。
设计内容：
1）主电路的设计，器件的选型，电感和输出电容的选择；
2）驱动电路、检测电路和保护电路设计；
3）辅助电源设计，要求提供 DC15V 驱动电源和 5V 控制电源；
4）控制电路的设计，不同频率、不同脉宽 PWM 波的实现。
5）制作驱动和主电路；
6）利用提供的控制信号，完成 BUCK 电路的驱动和主电路和调试。
3 设计方案选择及论证
控制芯片的选择
方案一：采用SG3525芯片。
它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采
用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
方案二：采用TL494芯片。
它是一种固定频率脉宽调制电路，主要为开关电源电路而设计，在开关电路中比较常见。
综合对芯片的熟悉程度以及考虑到本次设计是比较小的手工制作电路，所以选择TL494最为合宜。
驱动方式的选择
由于老师提供的电力电子器件为IRF540，为MOS管。
主电路中只有一个MOS 管需要控制开关。
方案一：采用光耦隔离加放大电路驱动，这是一种常用方法，优点是电路比较成熟，但光耦次级需要隔离电源，由于光耦的速度不是很快，工作频率不能太高，并可能降低电源的瞬态响应速度。
方案二：IR2103是一个集成的半桥驱动芯片，能够同时控制2个受控器件。
它的脉冲质量好，工作频率高，体积较小。
且电源与控制芯片同为15V，这样不用额外设计辅助电源。
它对，5V和15V的逻辑兼容，我们选择的控制芯片TL494输出的逻辑高电平为15V。
4 总体电路设计
根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动电路及辅助电
辅
原理框图
%58u ≤∆=∆fc
i
o i U U dt
di
L -=S
L S T I T i ⨯=⨯∆2
1
在结构框图中，控制电路是用来产生BUCK 电路的控制信号，控制电路产生
的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在MOS 管控制端和公共
端之间，可以使其开通或关断的信号。
通过控制MOS 的开通和关断来控制降压斩
波电路的主电路工作。
5功能电路设计 主电路的设计
电感计算：
由于产生脉冲的芯片相应R ＝1K 欧姆，C ＝μF.则芯片产生的脉冲频率为f=(RC).计算得f=110KHZ.在电感充放电一个周期内：
得 i I L ∆=2
开通时 L t U U i o i /)(-=∆ 对于BUCK 电路，开通时， D=Uo/Ui. T=1/f Δi=
所以 i DT U U L s o i ∆-≥/)( 故计算得出 mH L 139.0≥
电容计算：
根据公式
解得 F μ89.1c ≥
本设计取 L=, C=2μF
在主电路中添加了接口，用来输入直流电压，和方便数据测量。
图1
驱动电路的设计
IR2103是一个集成的半桥驱动芯片，能够同时控制2个受控器件。
它的脉冲
质量好，工作频率高，体积较小。
且电源与控制芯片同为15V，这样不用额外设
计辅助电源。
它对，5V和15V的逻辑兼容，可以同时驱动两个MOS管，我
们这里只需使用一个驱动口，再接入门极前串联一个100Ω的电阻。
根据器件手
册进行接线:
RC
f 1
.1=
图2
控制电路的设计
TL494控制芯片是一个固定频率的脉冲宽度调制电路内置线性锯齿波振荡
器振荡频率可通过外部的电阻R T 和电容C T 来进行。
其振荡频率
为 ,R=1K 欧姆，C ＝μF.计算得KHZ f 110=。
芯片14脚输出基准电压通过电阻分压进入15号脚作来与16号反馈信号进
行比较的基值。
从主电路输出端引出的反馈信号即16号脚，与15号脚的基值进
行比较，从面调节8号脚和11号脚输出的脉冲信号的占空比，从而达到调节MOS
管的开通与关断的频率与时间，最终实现输出端输出理想的稳定的电压值。
图3
设计稳压直流电源15V和直流电压100V
由于只提供直流电压DC:18~30V，而控制芯片TL494和驱动芯片IR2103需要
15V的工作电压。
用三端集成稳压器稳压成15V的电压输出。
其中变压器匝数比
为220V/24V,电容C1=100uF并且耐压50V，三端集成稳压器型号为7815。
图4
6 电路仿真与调试
电路仿真选择MATLAB软件，该软件功能强大，具有专门的电力电子仿真模块SimPowerSystem。
根据之前计算结果L=2e-4H, C=2e-6F, 工作频率f=110kHz,所以T=, 占空比选择D=50%。
输出波形：（从上到下依次为PWM波形，受控器件波形，电感电流，负载电压）
其中电感电流和负载电压如下：
经过放大：
由上图可知符合设计任务：输出额定电流2A，电流峰峰值不大于，输出电压纹波不大与5%。
7 实验总结
回顾此次电力电子装置课程设计的一个星期，我感慨很多。
从理论到时践，我们遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。
它不仅巩固了以前所学的理论知识，更是学到了很多课外的东西，锻炼了我们解决实际问题的能力。
在此次课程设计过程中，我们遇到的问题还是很多的。
刚开始拿到这个题目时，不知道如何下手，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠自己所学的知识根本解决不了，于是我们小组去图书馆以及网站找了很多资料，学习了很多课本上没有的东西，感觉特别充实。
然后在做设计的过程中我们学到了很多东西，也觉得知识掌握得不够牢固，以后还要努力。
通过这次课设，也锻炼了我们将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。
虽然现在的设计题目比较简单，但通过课程设计的学习工作，使我和组员接触了很多新的知识，也让我们对这门课有了更深的了解，培养了我们求真务实的态度。
8 参考文献
[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].北京:机械工业出版社.2009
[2] 何亮,方宇,李吉,邢岩.峰值电流控制 DC/DC 变换器的恒值限流方法[J]电工技术学报，2006（21）10：86-89,105
[3] 邵群涛.电气制图与电子线路CAD —北京：机械工业出版社，
[4] 王玫，宋卫菊，徐国峰.电路原理—北京;中国电力出版社，
[5] 董琳. MATLAB使用详解—科学出版社，。