BUCK变换器设计
(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变换器设计
BUCK变换器设计一、引言BUCK（降压）变换器是一种常见的开环降压电源设计，具有广泛的应用领域。
在本文中，我们将详细介绍BUCK变换器的设计原理和步骤。
二、BUCK变换器的基本原理1.输入电压通过一个开关管和一个电感器连接到输出电压。
开关管通过开关周期性地打开和关闭来调整输出电压。
2.当开关打开时，电流通过电感器，能量存储在电感器磁场中。
3.当开关关闭时，电感器上的磁场坍缩，通过一个二极管将存储的能量传递到输出负载电路中。
4.通过调整开关管的开关周期和占空比，可以实现对输出电压的精确控制。
三、BUCK变换器的设计步骤下面是设计BUCK变换器的基本步骤：1.确定输入电压和输出电压范围。
根据应用的需求，确定输入电压和输出电压的合适范围。
输入电压通常由电源提供，而输出电压则由负载需求决定。
2.选择合适的开关器件。
根据输入电压和输出电流的要求，选择合适的开关管和二极管，以确保电流和功率的可靠传输。
3.计算开关周期和占空比。
根据输入输出电压的比例以及工作频率，计算出合适的开关周期和占空比。
这两个参数直接影响输出电压的稳定性和效率。
4.计算电感器和输出电容。
根据预设的开关周期和占空比，计算出合适的电感器和输出电容值。
电感器和输出电容可以提供电流平滑和稳定输出电压的功能。
5.设计反馈电路。
设计一个反馈电路来控制开关管的工作，以实现对输出电压的精确调节。
常见的反馈电路包括PID控制器和比例控制器。
6.进行验证和测试。
在实际应用中，进行验证和测试以确保设计的BUCK变换器满足要求。
四、BUCK变换器的特点和应用1.高效率。
BUCK变换器通过周期性开关操作和能量传递来实现电流和功率的可靠转换，使得效率比传统的线性稳压器更高。
2.范围广。
BUCK变换器可以适应不同的输入电压和输出电压需求，可以应用于多种电子设备和系统。
3.体积小。
由于BUCK变换器的高效转换机制，可以采用较小的电感器和电容器，从而实现体积小巧的设计。
buck变换器设计报告
BUCK变换器设计报告——电力电子装置及应用课程设计1 设计指标及要求1.1设计指标•输入电压标称直流48V 范围：43V~53V•输出电压：直流24V•输出电流：直流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：10dB1.2 设计要求•计算主回路的电感和电容值•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2 BUCK主电路各参数计算图1 利用matlab搭建的BUCK主电路Mosfet2在0.01s时导通，使得负载电阻由9.6变为4.8，也就是说负载由半载到满载，稳态时负载电流上升一倍，负载电压不变，这两种状态的转换的过程的表征系统的性能指标。
2.1 电感值计算当时，，D=0.558 , 求得当时，，D=0.5 , 求得当时，，D=0.453，求得所以，取2.2 电容值的计算代入，得，由于考虑实际中能量存储以及输入和负载变化，一般取C大于该值，取2.3 开关器件电压电流计算2.4 开传递函数的确定其中故开环传递函数为3 系统开环性能3.1 开环传递函数的阶跃响应由MATLAB可以作出系统的开环函数的单位阶跃响应，如下图所示由图可知，系统振荡时间较长，在5ms之后才可以达到稳定值，超调量为66.67%，需要增加校正装置进行校正。
3.2 系统开环输出电压电压、电流响应由MATLAB simulink作出的系统的输出电压、电流响应如下图所示图2 开环电压、电流响应在0.01s时负载由9.6变为4.8，电压振荡后不变，电流增大一倍。
由图可知电压超调量达到70%，电流超调量达到75%。
图3负载变化时电流响应图4负载变化时点响应图3 电流纹波图4 电压纹波电流纹波约为0.002A，电压纹波为0.01V，符合设计的要求，由于器件本身的压降损耗等因素，电压稳态值不等于24V，电流的稳态值也不等于5A。
基于BUCK变换器的电源设计
基于BUCK变换器的电源设计BUCK变换器是一种常用的电源设计方案，常用于将高电压转换为低电压供给电路。
它采用了脉宽调制（PWM）技术来有效地控制输出电压和电流，具有高效率和稳定的输出特性。
在进行基于BUCK变换器的电源设计时，需要考虑输入和输出电压、输出电流需求，以及稳定性、可靠性等因素。
下面将详细介绍BUCK变换器的电源设计过程。
首先，确定输入和输出电压。
根据应用需求，需要确定输入电压和输出电压的范围。
输入电压一般由系统电源提供，可以是直流电或交流电，也可以是电池供电。
输出电压则根据应用需求确定，可能是固定值或可调节的。
接下来，计算输出电流。
根据系统中各个组件的功率需求和电流消耗，可以估算出所需的输出电流。
输出电流需要考虑到系统的最大负荷情况，以确保BUCK变换器能够稳定输出所需的电流。
然后，选择合适的BUCK变换器芯片。
根据输入和输出电压、输出电流需求，选择合适的BUCK变换器芯片。
散热设计、开关频率、效率等因素也需要考虑进去。
常见的BUCK变换器芯片有TI的LM2596、ST的LM2596等，可以根据实际需求选择。
接着，设计输入滤波电路。
由于BUCK变换器对输入电压的纹波幅度和频率有一定的要求，因此需要设计输入滤波电路来滤除输入电压中的纹波。
输入滤波电路可以采用电感和电容组成的滤波器，根据输入电压的纹波要求来选择合适的电感和电容值。
然后，设计输出滤波电路。
BUCK变换器输出电压通常存在一定的纹波，为了减小或滤除输出电压的纹波，需要设计输出滤波电路。
输出滤波电路可以采用电感和电容组成的滤波器，根据输出电压的纹波要求来选择合适的电感和电容值。
接下来，进行稳压器设计。
为了保证BUCK变换器输出电压的稳定性，需要设计一个稳压器。
稳压器可以采用反馈控制电路，通过调整PWM宽度来实现对输出电压的精确控制。
稳压器还可以采用放大器、比较器等元件来构成反馈环路，以实现电压稳定。
最后，进行保护电路的设计。
由于BUCK变换器中存在高电压和高电流，还有可能出现过电流、过载、过温等情况，因此需要设计一些保护电路来保证BUCK变换器的正常运行。
高速低功耗buck变换器设计
图1 高效率、低功耗、快速响应DC-DC buck变换器整体架构图1 系统架构本系统架构如图1所示，主要包含以下模块：振荡器、锯齿波产生电路、PWM比较器电路、误差放大器模块、LDO电路、死区时间产生模块、高速高精度电流检测模块、软启动模块、电源切换模块和功率驱动模块。
2 小信号分析及PID补偿网络2.1 控制级小信号模型分析基本的电压模式控制的buck变换器的电路框图如图2（a）所示，其环路的基本模型包含功率级、具有补偿网络的误差放大器和PWM调制器。
图2（b）给出了开关变换器的小信号框图。
2.1.1 输出滤波器输出滤波器主要包含输出电感和电容。
其中电感的直流电阻以及电容的等效串联电阻，都必须考虑在建模分析中。
传递函数可以表示为：（1）其中：VinE=（2）2.1.2 PWM调制器调制器包含了振荡器器、驱动电路以及功率是误差放大器的输出与振荡器信号进行2.1.3 开环系统分析结合PWM调制器和输出滤波就构（6）2.2 PID补偿网络分析典型的PID补偿网络需要两个电容C i、C f和三个电阻R ip、R iz、R f和误差放大器，产生两个零点和两个极点。
式(7)给出了其中：加入PID补偿网络后图2 小信号框图（12）2.3 环路带宽与稳定性的AC仿真验证仿真条件设置如下：输入电压图3 系统环路的带宽与稳定性仿真图4 实际电路仿真结果V IN为输入电压电流。
内部各模块一般在一个稳定的直流电压下工作图5 电源切换仿真限制： a）香农采样定理决定了带宽不可能大于开关频率的二分之一； b）补偿放大器的带宽设得很高时会受到增益的限制、电容零点及温度影响等。
所以一般实际带宽会取开关频率的 1/4~1/5。
3.2 实际电路仿真结果本方案选取两种不同带宽进行比对。
仿真结果如图4（a）所示，其中线①表示1 MHz的系统带宽，线②表示2.5 MHz的系统带宽。
图4（b）为负载电流从0 mA突变到600 mA时的输出电压过冲，由图可知，线②的过冲电压大小为△V=1.8-1.793=7 mV，恢复时间t=54-50=4 μs，线①的过冲电压△V=1.8-1.785=15 mV，恢复时间t=55-50=5 μs。
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。
Buck-Boost变换器的设计与仿真
1 概述直流-直流变流电路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，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
其中，直接直流变流电路又叫斩波电路，它包括降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper)、升降压斩波电路（Buck/Boost）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路共六种基本斩波电路。
Buck/Boost升降压斩波电路同时具有Buck斩波电路和Boost斩波电路的特点，能对直流电直接进行降压或者升压变换，应用广泛。
本文将对Buck/Boost升降压斩波电路进行详细的分析。
RVDRVDRVD 2 主电路拓扑和控制方式2.1 Buck/Boost 主电路的构成Buck/Boost 变换器的主电路与Buck 或Boost 变换器所用元器件相同，也由开关管、二极管、电感、电容等构成，如图1所示。
与Buck 和Boost 不同的是电感L 在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压极性相反。
开关管也采用PWM 控制方式。
Buck/Boost 变换器也由电感电流连续和断续两种工作方式，但在实际应用中，往往要求电流不断续，即电流连续，当电路中电感值足够大时，就能使得电路工作在电流连续的状态下。
因此为了分析方便，现假设电感足够大，则在一个周期内电流连续。
图2-1 Buck/Boost 主电路结构图电流连续时有两个开关模态，即V 导通时的模态1，等效电路见图2（a ）；V 关断时的模态2，等效电路见图2（b ）。
（a ）V 导通（b ）V 关断，VD 续流图2-2 Buck/Boost 不同模态等效电路ttttt2.2 电感电流连续时的工作原理及基本关系电感电流连续工作时的工作主要波形见图2-3。
图2-3电感电流连续时的主要波形为了方便分析，假设电感、电容的值足够大，并且忽略电感的寄生电容。
电感电流连续工作时，Buck/Boost 变换器有V 导通和V 关断两种工作模态。
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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：10dB
3、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=
2L v-
V o
max
-
in DT S得：
L=
L o
max
-
in
i 2v-
V
ΔD min T S=
25
.0
2
24
53
⨯
-×0.4528×4×10-6=1.05×
10-4H
电容量计算：由ΔV L =C
i 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。
通常钽电容的ESR 在100毫欧姆以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR 甚至高达数欧。
ESR 的高低与电容的容量、电压、频率和温度等多因素有关，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。
此处取R ESR =50m Ω。
4、主电路的开环传递函数
in ESR ESR V sC
R R sL sC R R s d )
1//()
1//()(s V s G O vd +++
==）（）（ )
(s )1(C 1)1(s G 2
vd C R R
L R R L s V C sR ESR ESR in
ESR +++++=）（ in 0
2
V Q s s
11)(G 2
ωωω++
+=
z
vd s
s
ESR
z CR 1
=ω
）（R
R
1LC 1ESR
0+
=
ω ）（C
R R L 1
Q ESR 0+=
ω
取R ESR =50m Ω，R=4.8Ω，C=120μF ，L=105μH ，V in =48V ， 可得传递函数为：
1107875.21027313.148
1088.2)(G 5284
vd +⨯+⨯+⨯=
---s s s s
在MATLAB 中根据开环传递函数画出Bode 图： >> clear
>> num0=[2.88e-4,48];
>> den1=[1.27313e-8,2.7875e-5,1]; >> bode(num0,den1)
>> [kg,gm,wkg,wgm]=margin(num0,den1) >> grid
相角裕量23.0483，显然不符合设计要求，考虑对其增添闭环控制回路进行校正。
5、主电路的PSIM仿真
电路如下：
电流I1波形如下：
电压V1波形如下：
三、BUCK变换器控制框图
BUCK变换器的控制器主要有电压型控制和电流型控制，其各自电路图如下所示
①电压型：
②电流型：
电压型控制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。
其输出经过补偿在经过PWM ，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，达到闭环控制的目的；电流型控制用通过功率开关的电流波形替代普通PWM 的载波信号，每个开关周期之初，由时钟脉冲置位RS 触发器，于是Q1导通，之后i L 逐渐增加，当i L 大于调制信号时，比较器翻转并复位RS 触发器，Q1关断。
综合考虑难易程度和功能特性，本设计采用电压型控制电路。
采用电压型控制电路的BUCK 转换器原理框图如下所示：
G vd （s ）为开环增益，Gc （s ）×G PWM 为调节器，H 为反馈因子。
则该框图的闭环增益为：PWM vd G )()s (H )s (G T s G c 三、K--因子法设计控制器
调节器类型有三种：
PID 调节器性能最佳。
搭建好闭环电路，确定串联PID 校正环节，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，这一工作可采用K--因子法完成，K--因子法设计步骤是：
①确定新的剪切频率；
②确定校正前处的相角和校正后的相位裕量，计算需要的相
位超前量。
计算公式为︒-=90'-c c b ϕϕϕ ③基于确定K 值，PID 调节器公式为：
）（K 1
tan -K tan 21
1b --=ϕ
）（
4
4
tan K b
π
ϕ+
≈
④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。
公式为：
)(1G K 321b c C C R +=
ω
12121
f C R f K c p π=
=
3
2323
2C 21
f C C C R f K c p +=
=
π )
(21f 2111Z R R C K f c +==π
33c Z221K f f C R π=
=
⑤校正环节传递函数如下为：
)
21)(21()
21)(21()(G 212
1c p p Z Z c b f s f s f s f s s K G s ππππω++++=
取15.5kHz f c
= ︒=163c ϕ 1138.23K =
计算得
Ω=5500R 1
Ω=7196.248R 2
Ω=5964.27393R 3
nF 5873.8C 1=
nF 101493.8C 22-⨯=
nF 8021.1C 3=
校正环节传递函数为
2
2c )07
.4682171()04.202571(1138.2386.2231063)(G s s s s ++=
四、MATLAB SISOTOOL 利用以上求得的数据，用MATLAB 的SISOTOOL 工具箱
可以画出加入补偿器后的传递函数BODE 图如下
幅值裕量、相角裕量均满足设计要求
五、PSIM 仿真结果
1、带有PID 调节器的PSIM 电路如下所示：
2、将R1、R2、R
3、C1、C2、C3参数输入以上电路，仿真结果如下：
V O波形如下
将X坐标轴改为0.004到0.0045范围
IO波形如下
将X坐标轴改为0.004到0.0045范围
电流电压纹波均满足设计要求。