BUCK变换器设计报告
Buck变换器设计

De s i g n of Buc k c o nv e r t e r
Li u Y a ng
( S o u t h w e s t e r n U n i v e r s i t y C o l l e g e o f c o m p u t e r a n d i n f o r m a t i o n s c i e n c e a n d a u t o m a t i o n( c o n t r o 1 ),
主要是靠S G 3 5 2 5 芯片完成 的 ,而在反馈 回路 中则 加入 了超
前一 滞后 校正器 ,从 而使 变换器拥有更好 的动态性能 。
路 叫做直 流一 直流 变流 电路 ,包括 直接直 流变流 电路和 间 接 直流变 流 电路 。其 中直 接直流变 流 电路 也称斩 波 电路 。 直 流斩波 电路包括 降压斩 波电路 、升压斩 波 电路 、升降压
2 o , 3 . o 9
表1设计 参数数据表
电源 电压 开关频率
输 出 电压
根 据课 题要求 ,输入 电压 为2 5~3 0 V,这 里我们 选定
为2 8 V。因为输入 = 2 8 V,输 出 = 1 0 V,所 以D = 0 . 3 5 7 。
2 5 ~3 0 V 3 5 k H Z
C h o n g q i n g 4 0 0 1 7 5 )
Abs t r a c t : DC c h o p p e r c i r c u i t i s wi d e l y u s e d i n t h e i f e l d o f p o we r e l e c t r o n i c s a p p h c a io f n s ,p l a y i n g a c r u c i a l r o l e
BUCK变换器设计

BUCK变换器设计1设计目的及解决方案1.1问题的提出此次设计的目的是针对给定的特定题目要求,设计一个BUCK变换器DC/DC变换器,使其实现输入电压为DC 28V±10%时,输出电压为DC 12V,输出电流为2A,电压纹波为1%。
1.2设计方案此次设计主要是针对BUCK变换器的主电路进行设计,所选择的全控型器件为P-MOSFET.查阅相关资料,可以使用以脉宽调制器SG3525芯片为主的控制电路来产生PWM控制信号,从而来控制P—MOSFET的通断.然后通过设计以IR2110为主芯片的驱动电路对P-MOSFET进行驱动,电路需要使用两个输出电压恒定为15V的电源来驱动两个芯片工作。
图1。
1 总电路原理框图同时采用电压闭环,将输出电压进行分压处理后将其反馈给控制端,由输出电压与载波信号比较产生PWM信号,达到负反馈稳定控制的目的,得到电路的原理框图1.1所示.2.电路基本结构及降压原理2.1电路基本结构下图1.2所示为BUCK型DC/DC变换器的基本结构,此电路主要由虚线框内的全控性开关管T和续流二极管D以及输出滤波电路LC构成。
对开关管T进行周期性的通、断控制,便能将直流电源的输入电压Vs变换成为电压Vo输出给负载。
图2。
1 Buck变换器的电路结构2.2电路降压原理在一个开关周期T s期间对开关管T施加如图1.1(b)所示的驱动信号V G,在T on期间,V G〉0,开关管T处于通态,若忽略其饱和压降,输出电压Uo等于输入电压;在Toff期间,V G=0,开关管T处于断态,若忽略开关管的漏电流,输出电压为0。
开关管T导通时间与周期T s的比值称为占空比D,即D=T on/T s。
因此Vo=DVs,所以可以通过调节占空比D的大小,便可调节输出直流电压的大小,从而也就达到了降压的目的。
3 BUCK 变换器参数设计3.1 Buck 变换器性能指标输入电压:V in =DC 28V ±10%;输出性能:V out =DC 12V 、I o =2A ;Iout=0.1A 时,电感电流临界连续。
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。
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。
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 in=0.4528V in=53V时,Dmin=v0v 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。
一般对于等效串联电阻过大的电容,我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。
取R esr=50mΩ。
(3)主电路开环性能测试现通过Matlab对系统开环传递函数进行仿真。
A、首先计算系统开环传递函数如下:对主电路进行Laplace变换可得到系统在复频域下的传递函数:,,B、编制MZTLAB程序,由MATLAB计算主回路的传递函数,画出bode图。
一种高效率低纹波数字Buck变换器的设计的开题报告

一种高效率低纹波数字Buck变换器的设计的开题报告摘要:随着微电子技术和电源技术的不断进步,数字Buck变换器成为了一种最常见的DC-DC转换器。
它可以提供高效率和低纹波的输出电压。
本文介绍了一种高效率低纹波数字Buck变换器的设计。
该设计采用了电感电容滤波的方法来减小纹波,以及负载传输技术来提高效率。
采用了130nm CMOS技术来实现和模拟设计。
仿真结果表明,在1.8V的输入电压下,输出电压为1.0V,负载电流达到50mA时,该数字Buck变换器的效率可以高达92.5%,纹波峰值可以降至1.6mV。
这种设计符合现代电源电子学的趋势,是一种非常有前途的数字Buck变换器设计。
关键词:数字Buck变换器、电感电容滤波、负载传输技术、高效率、低纹波一、研究背景和意义随着电子产品的不断普及和应用,对高效率低纹波电源电子学的需求越来越强烈。
DC-DC转换器作为电源电子学的核心器件之一,已经成为了便携式、高速和高性能电子设备的重要组成部分。
数字Buck变换器作为一种广泛使用的DC-DC转换器,具有高效率、低纹波和调整输出电压等优点,因此备受关注。
数字Buck变换器的工作原理是将输入电压转换为经过电感和开关管控制的电容器间循环充放电而产生的输出电压。
若滤波电路设计不当,则可能会出现输出电压纹波的情况。
因此,现有文献都致力于提高纹波抑制性能。
在实际应用中,也需要优化数字Buck变换器的效率,降低功耗并延长电池寿命。
二、研究内容和方法本文旨在设计一种高效率和低纹波的数字Buck变换器,采用了电感电容滤波的方法来减小纹波,以及负载传输技术来提高效率。
采用了130nm CMOS技术来实现设计。
该设计的具体过程如下:1. 电感选择和滤波电容的确定;2. 经典的数字Buck变换器的设计;3. 采用负载传输技术,并根据实际负载情况调整负载电流;4. 在设计过程中,使用仿真工具进行参数选择和电路验证;5. 通过仿真和实验对该设计进行验证。
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变换器的研究与设计

BUCK变换器的研究与设计1总体分析与解决方案1.1问题的提出与简述电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。
开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。
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。
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。
直流斩波电路(DC Chopper)的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,也称为直接直流—直流变换器(DC/DC Converter)。
直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况,不包括直流—交流—直流的情况,直流斩波电路的种类较多,包括6种基本斩波电路:降压斩波电路,升压斩波电路,升降压斩波电路,Cuk斩波电路,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。
利用不同的基本斩波电路进行组合,可构成复合斩波电路,如电流可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路等,利用相同结构的基本斩波电路进行组合,可构成多相多重斩波电路。
其中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GTR的复合器件。
它既有MOSFET易驱动的特点,输入阻抗高,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,因此发展很快。
直流降压斩波电路主要分为三个部分,分别为主电路模块,控制电路模块,驱动电路模块,除了上述主要模块之外,还必须考虑电路中电力电子器件的保护,以及控制电路与主电路的电气隔离。
电力电子课程设计 Buck变换器设计

电力电子技术课程设计 题 目 Buck变换器设计 学 院专 业年 级学 号姓 名同 组 人指 导 教 师成 绩年 月 日1 1 引言引言 ................................................................................................................... 1 2 PWM 控制 (1) (1) (2)3 3 开环控制回路开环控制回路 (5)................................................................................................................................... 5 ..................................................................................................................... 6 . (6)4 4 主电路主电路 (6) (7) (7) (8)5 5 闭环控制回路闭环控制回路 (8) (8) (9)6 6 总结总结 ................................................................................................................. 12 参考文献 . (14)Buck变换器设计1 引言目前,各种资料都显示,同步整流技术是近几年研究的热点,主要应用于低压大电流领域,其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。
采用一般的二极管续流,其导通电阻较大,应用在大电流场合时,损耗很大。
用导通电阻非常小的MOS管代替二极管,可以解决损耗问题,但同时对驱动电路提出了更高的要求[1]。
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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
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=v0
v in
=0.5581
V in=43V时,Dmax=v0
v in
=0.4528
V in=53V时,Dmin=v0
v 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。
一般对于等效串联电阻过大的电容,我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。
取R esr=50mΩ。
(3)主电路开环性能测试
现通过Matlab对系统开环传递函数进行仿真。
A、首先计算系统开环传递函数如下:
对主电路进行Laplace变换可得到系统在复频域下的传递函数:
,
,
B、编制MZTLAB程序,由MATLAB计算主回路的传递函数,画出bode图。
1)取Resr=50mΩ,Rload=4.8Ω,得传递函数:Gvd(s)= (0.000144 s + 24)/(1.273e-008 s^2 + 2.788e-005 s+1 )
2)开环传递函数的Bode图
由上图可得,系统的剪切频率为7kHz,其相位裕量为17.7<60,相位裕度不足。
显然不满足设计要求。
C、主电路的PSIM仿真
电压波形:
电流波形:
由上图可知,电压和电流的超调量都很大,调节时间长。
因此需要对系统进行源矫正,使系统相位裕量增大,减小超调和震荡,缩短调节时间。
二、控制器的设计
(1)BUCK变换器的控制方框图及原理:
BUCK降压变换电路的控制器主要有电压型控制和电流型控制。
其中电压型控制的原理是:将开环电路的输出电压进行采样,采样信号H(s)与基准电压Vref 输送到误差放大器,G(s)设计的有源串联校正PID环节。
其输出经过补偿再经PWM脉宽调制,调制后的信号控制开关Q的通断,以此来控制输出电压的稳定,从而达到闭环控制的目的。
而电流型控制设计较为复杂,所以用电压型控制进行下一步的设计。
下图为电压型控制的原理框图。
引入反馈后,构成闭环控制。
Gvd(s)—开环增益,Gc(s)*Gpwm—调节器,H(s)—反馈因子Gvd,
由此 T=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)*Gpwm—回路增益(闭环增益)得到回路增益(闭环增益):
根据闭环控制框图和电压型控制器的电路可在PSIM中搭建闭环控制仿真图如下:
负载两端电压VP1仿真结果:
待稳定后,放大局部,得到下图结果:
由图分析,加入反馈后,超调量明显减小,调节时间明显缩短。
但输出电压并不是在24V左右波动。
因此,接下来,需要设计调节器进行校正。
三、K-因子法设计调节器
(1)调节器的选用。
为取得好的校正效果,选用PID调节器。
闭环电路搭建好后,接下来的工作便是确定串联PID校正环节,即确定新的开环剪切频率和相位裕量,确定控制回路中各个电阻电容的取值。
控制校正环节的设计有很多方法。
可以用K因子法作为基础,使用Matlab自带工具箱SISOTOOL进行闭环系统的校正。
.
(2)K-因子法设计步骤
K因子校正的方法主要有以下几步:
a、首先确定新的剪切频率f c。
b、确定校正前f c处的相角φc和校正后的相位裕量φ
,计算需要的相位超前
c′
量。
计算公式
.
c、基于φs确定K值,公式如下(类型三):
,
d、基于K-因子确定补偿器的零点、极点位置,并计算调节器参数。
计算公式如下:
,
,
e、校正环节传递函数如下:
(3)控制器参数选择及计算
采用类型三的PID环节进行校正。
为保证系统不受高频信号的干扰,选取的截止频率须在开关频率的一半以下,为了让其抗噪声能力提高,一般截止频率取在开关频率的1/4~1/5处。
同时,为了保证幅值裕量,还需对校正的结果进行仿真,观察其幅值裕量是否能够满足要求。
经多次实验,选取截止频率为10kHZ 左右便可满足调节时间纹波的要求。
参数计算如下:
f c=10.11kHz
φc= -157,φ′
=76 , φb=143
c
K=37.702
控制器电容电压参数:
令R1=R bias=5KΩ,得:R2=136.2308,
C1=18.826uF,C2=1.532nF,R3=1.7197KΩ,C3=56.228nF
(4)环性能分析
利用以上求得的数据,用Matlab的SISOTOOL工具箱可画出加入补偿器后的传递函数BODE图如下:
由bode图可得系统的开环剪切频率和相位裕量均满足要求,幅值裕量为无穷大,也满足要求。
该校正的主要缺点是截止频率偏低,致使在主回路大电容情况下的响应速度略慢。
系统闭环阶跃响应曲线如下:
由Bode图可知,系统闭环阶跃响应的调节时间约为0.4ms,有少量的超调。
(5)闭环性能的仿真
用PSIM软件所做的加入补偿器后的仿真电路如下图所示:
电压仿真结果如下图所示(直流48V电压输入)
超调量太大,峰值电压在47V左右,要对K因子算出的结果进行修正。
四、补偿环节G c(s)的修正———应用MATLAB SISOTOOL
设计方法如下:
(1)先将K因子法补偿的零极点加入到开环传递函数中并在SISOTOOL中绘制Bode图。
(2)拖动零、极点位置将重合的零、极点分离。
打开系统闭环阶跃响应实时仿真图。
(3)拖动Bode图上零、极点或进入面板修改各个极点的位置,观察阶跃响应曲线,直到达到补偿目标。
此时进入SISOTOOL面板中记录校正环节传递函数
(4)利用同K因子法相同的计算公式计算电容电阻的参数。
根据以上设计方法,将K因子法的补偿结果导入SISOTOOL中,得到Bode 图如下。
将加入的两个零点的频率适当减小并分离,以提高开环传递函数在震荡极点处的相位裕量。
同时,将两个极点向更高频次的范围内扩展并分开,通过改变增益,适当提高截止频率,减小调节时间。
按照上述方法,在sisotool的bode图中调节零极点和曲线位置,找到合适的闭环阶跃响应,如下图所示。
此时的Bode图为:
由图中可得系统的开环剪切频率和相位裕度均满足要求,幅值裕量为无穷大,满足要求。
由闭环阶跃响应可知,系统的闭环阶跃响应的时间比K因子法大大缩减。
由图中可得,f z1=460HZ , f z2=1180HZ,f p1=61KHz,f p2=150KHz,
剪切频率fc=87kHz ;R2=50Ω,计算得R1=Rbias=6664Ω,C1=51.76nF, C2=314.2pF, R3=3451Ω,C3=39.1nF.
五、修正后的PSIM仿真
将计算所得的参数导入到PSIM中,对系统进行仿真。
(1)电压响应:
电流响应:
电压稳定时间约为0.001s,稳定值约为24V,超调量有所减小,峰值电压减小,约为33V。
(2)待电压、电流稳定后,放大局部,得到电压纹波和电流纹波的图形。
如下图所示:
稳定后的电压纹波稳定后的电流纹波
稳定后的电压纹波约为5mv,电流纹波约为4mv,符合设计要求。