题目：Buck电路的设计与仿真
(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控制器中仿真电流模式控制电路的设计
在进行buck控制器中仿真电流模式控制电路的设计时，首先需要对仿真电流模式控制（SIMC）进行全面评估。
SIMC是一种常用的控制策略，能够实现电流和电压的稳定控制，同时具有快速动态响应和良好的稳定性。
在设计电路时，需要考虑控制电路的深度和广度，以确保所设计的电路具有高质量和可靠性。
SIMC是一种基于电流反馈的控制策略，其主要思想是通过对电流进行实时监测和控制，来实现对电压和功率的稳定调节。
相较于传统的电压模式控制，SIMC具有更好的动态响应和抗扰性，因此在众多电源控制应用中得到广泛应用。
在设计buck控制器中的SIMC电路时，需要考虑的因素包括但不限于电感、电容、开关管及其驱动电路、比较器、反馈网络等。
这些因素的选择和设计对于电路性能的影响至关重要。
需要在对电路的深度评估的考虑到这些因素的相互影响，以确保电路具有良好的稳定性和性能。
在文章中多次提及buck控制器中仿真电流模式控制电路的设计，以确保对主题的全面阐述。
需要按照从简到繁的方式探讨电路设计的相关原理和步骤，以帮助读者更深入地理解设计的内在逻辑。
在总结和回顾性的内容中，需要对电路设计的关键步骤和原理进行梳理和总结，以便读者全面、深刻地理解主题。
我会共享我对buck控制器中仿真电流模式控制电路设计的个人观点和理解，与读者共享我的经验和看法。
我会尝试以非Markdown格式的普通文本，遵循知识文章格式写作，将文章内容使用序号标注，以增强内容的层次感和可读性。
文章内容将超过3000字，并不会出现字数统计，以确保内容的充实和深度。
通过以上的指导，我将全力撰写一篇高质量、深度和广度兼具的buck 控制器中仿真电流模式控制电路设计的文章，以满足您的需求。
感谢您对我的信任，我将竭尽全力完成这篇文章。
在进行buck控制器中仿真电流模式控制电路设计时，首先需要对SIMC进行全面评估。
SIMC 是一种常用的控制策略，能够实现电流和电压的稳定控制，同时具有快速动态响应和良好的稳定性。
电力电子课程设计-BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真
电力电子课程设计-BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课程设计说明书课程设计名称:电力电子题目:BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真—15V/5V二级学院(直属学部): 电子信息与电气工程学院专业:电气工程及其自动化班级:07电单学生姓名: 学号:指导教师姓名: 职称:讲师2011 年 1 月电力电子课程设计任务书二级学院(直属学部):电子信息与电气工程学院专业:电气工程及其自动化班级:学生姓名指导教师韩霞职称讲师课题名称 BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真-15V/5V1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，设计PID补偿网络2、采用MATLAB中simulink中的simpowersystems模型库搭建闭环降压式变换器的仿真模型3、观察系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电课流的波形4、撰写课程设计说明书，要求包括:题一、封面二、目录工三、正文1、降压变换器的基本原理作2、BUCK变换器主电路参数设计2.1设计内容及要求内 2.2主电路设计(占空比、滤波电感、滤波电容的设计)3、BUCK变换器闭环PID控制的参数设计容 3.1主电路传函分析3.2补偿环节的设计4、BUCK变换器闭环系统的仿真4.1仿真参数及过程描述4.2仿真模型图及仿真结果5、总结(含心得体会)6、参考文献(不少于6篇)21、输入直流电压(V):15V IN2、输出电压(Vo):5V3、输出电流(I):10A N指标4、输出电压纹波峰-峰值 Vpp?50mV)5、锯齿波幅值Um=1.5V 目标6、开关频率(fs):100kHZ )要7、采样网络传函H(s)=0.3 求8、BUCK主电路二极管的通态压降V=0.5V，电感中的电阻压降V=0.1V,开DL关管导通压降V=0.5V,滤波电容C与电解电容R的乘积为75uΩ*F ONC第1天阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法第2天根据设计原理计算相关主要元件参数以及完成PID系统的设计进第3天熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型程安第4天仿真调试，记录要求测量波形排第5天撰写课程设计说明书1、电力电子课程设计任务书本院编2、电力电子课程设计指导书本院编3、王创社，乐开端等，开关电源两种控制模式的分析与比较，电力电子技术，1998，3，78一81; 主4、徐辅东，电流型控制开关变换器的研究与优化，西南交通大学硕士论文，要2000年4月。
Buck电路闭环控制器设计仿真
Buck电路闭环控制器设计仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：Buck 电路闭环控制器设计15121501 曾洋斌作业要求：1、 建立Buck 电路的状态平均模型，设计系统闭环控制器；2、 分析稳态误差产生原因，并提出改进措施，并进行仿真；3、完成作业报告。
4、Buck 电路参数：输入电压为20V ，输出电压5V ，负载电阻4欧姆，电感1×10-3H ，电容5×10-4F ，开关频率20kHz 。
一、Buck 电路的状态平均模型根据题目所给参数，容易计算得其占空比为25%，Buck 电路如图1所示：SV VTR VDi VDCLV oV图1：Buck 电路根据状态空间平均法建模步骤如下： 1、列写状态方程、求平均变量设状态方程各项如下：[()()]T L o i t v t =x()s u v t = ()VD y i t =则有状态方程如下：x =Ax +BuT y =C x（1）列写[0，1S d T ]时间内的状态方程如图2所示，根据KCL 、KVL 以及电感电容的特性可以得到状态方程的系数矩阵如下所示：11011L CRC ⎛⎫-⎪=⎪ ⎪- ⎪⎝⎭A ，11[0]T L =B ，1[00]T =CSV VTR VDi VDCLV oV图2：开关VT 导通状态（2）列写[1S d T ，S T ]时间内的状态方程如图3所示，根据KCL 、KVL 以及电感电容的特性可以得到状态方程的系数矩阵如下所示：21011L CRC ⎛⎫-⎪=⎪ ⎪- ⎪⎝⎭A ，2[00]T =B ，2[10]T =C SV VTR VDi VDCLV oV图3：开关VT 关断状态因此，在[0，1S d T ]和[1S d T ，S T ]两个时间段内分别有如下两种状态方程：[0，1S d T ]： 11x x u =+A B ，1T y x =C [1S d T ，S T ]： 22x x u =+A B ，2T y x =C根据平均状态向量：()()1SSt T T tSx t x d T ττ+=⎰可得： ()()()()()()()()()112211SSSSSSS t dT t T T tt dT St dT t T tt dT Sx t x d x d T x u d x u d T ττττττττττ++++++=+=+++⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎰⎰⎰⎰A B A B又根据建模的低频假设和小纹波假设，可得到如下近似：()()ST x t x τ≈ ()()ST u t u τ≈将这两个近似式回代原方程得：''11211121()[()()]()[()()]()SSST T T x t d t d t x t d t d t u t =+++A A B B同理可得：'1121()[()()]()SST T T T y t d t d t x t =+C C因此有：X =AX +BU ，T Y =C X其中1112(1)d d =+-A A A ，1112(1)d d =+-ΒΒΒ，1112(1)T T T d d =+-C C C2、求解稳态方程及动态方程 （1）求解稳态方程根据电感伏秒平衡以及电容电荷平衡，稳态时有0X =，令大写表示稳态值，即：11,,,x X y Y d D u U ====则有方程组⎧⎨⎩TAX +BU =0Y =C X解方程组得：-1X =-A BU T -1Y =-C A BU由前面求得的两个时间段状态方程系数矩阵得：1011L CRC ⎛⎫-⎪=⎪ ⎪- ⎪⎝⎭A ，1[0]T D L =B ，11[10]T D =-C以下令'111D D =-。
BUCK电路闭环控制系统的MATLAB仿真设计
BUCK 电路闭环PID 控制系统的MATLAB 仿真一、课题简介BUCK 电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo 总是小于输入电压U i 。
通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L 和电容C 的数值。
简单的BUCK 电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID 控制器，实现闭环控制。
可通过采样环节得到PWM 调制波，再与基准电压进行比较，通过PID 控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK 电路闭环PID 控制系统。
二、BUCK 变换器主电路参数设计2.1设计及容及要求1、 输入直流电压(VIN)：15V2、 输出电压(VO)：5V3、 输出电流(IN)：10A4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp ≤50mV5、 锯齿波幅值Um=1.5V6、开关频率(fs)：100kHz7、采样网络传函H(s)=0.38、BUCK 主电路二极管的通态压降VD=0.5V ，电感中的电阻压降VL=0.1V ，开关管导通压降 VON=0.5V,滤波电容C 与电解电容RC 的乘积为F *Ωμ752.2主电路设计根据以上的对课题的分析设计主电路如下：图2-1 主电路图1、滤波电容的设计因为输出纹波电压只与电容的容量以及ESR 有关，rr rrC L N0.2V V R i I ==∆ （1）电解电容生产厂商很少给出ESR ，但C 与R C 的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF [3]。
在本课题中取为75μΩ*F ，由式(1)可得R C =25mΩ，C =3000μF 。
2、滤波电感设计开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(2)、(3)所示：INO L ON L ON /V V V V L i T ---=∆（2）O L D L OFF /V V V L i T ++=∆ （3） off 1/on s T T f += (4)由上得：Lin o L DonV V V V L T i ---=∆ (5)假设二极管的通态压降V D =0.5V ，电感中的电阻压降V L =0.1V ，开关管导通压降V ON =0.5V 。
Buck电路的闭环设计及仿真分析
Buck电路的闭环设计及仿真分析一、本文概述随着电力电子技术的飞速发展，电源转换技术已成为现代电子设备不可或缺的一部分。
其中，Buck电路作为一种基本的直流-直流（DC-DC）转换器，因其结构简单、效率高、调节范围宽等优点，在电子设备中得到了广泛应用。
然而，为了确保Buck电路在各种环境和负载条件下的稳定性和高效性，闭环设计显得尤为重要。
本文旨在探讨Buck电路的闭环设计方法，并通过仿真分析验证设计的有效性。
文章首先简要介绍了Buck电路的基本原理和应用背景，然后重点阐述了闭环设计的重要性及常用方法。
在闭环设计部分，文章详细分析了反馈网络的选取、控制策略的制定以及功率级和控制级的协同工作等问题。
同时，结合具体的设计实例，阐述了闭环设计在实际应用中的具体实现过程。
为了验证设计的有效性，文章采用了仿真分析的方法。
通过搭建基于MATLAB/Simulink的仿真模型，对设计的Buck闭环电路进行了全面的仿真分析。
仿真结果证明了闭环设计的有效性，同时也为实际电路的制作和调试提供了重要参考。
文章对闭环设计的Buck电路进行了总结，并指出了未来研究方向和潜在的应用前景。
通过本文的研究，旨在为从事电源转换技术研究和应用的工程师和学者提供有益的参考和启示。
二、Buck电路的基本原理Buck电路，也称为降压转换器，是一种基本的直流-直流（DC-DC）转换电路，其主要功能是将较高的直流电压降低到所需的较低直流电压。
其名称来源于电路中开关元件（如MOSFET或晶体管）的操作，类似于"bucking"（减少或抑制）输入电压。
Buck电路的基本构成包括一个开关（通常是MOSFET），一个电感（或称为线圈），一个二极管（也称为整流器或续流二极管），以及一个输出电容器。
在开关打开时，电流通过电感从输入源流向输出，此时电感储存能量。
当开关关闭时，电感释放其储存的能量，通过二极管向输出电容器和负载供电。
Buck电路的工作原理基于电感的电压-电流关系。
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。
Buck电路的设计与仿真(开环设计与仿真)2014
• 网络资源
– 使用方法介绍
41
小结||3-6||
• 掌握DC-DC电路参数设计方法； • 掌握用SaberSketch输入电路原理图的方法、 掌握瞬态仿真的基本参数设置方法、掌握 查看波形方法； • 借助仿真软件深入理解Buck电路工作原理。 • 作业： • 1：完成单端正激电路设计报告（含所有主 电路参数设计，需要查阅相关手册，选取 所有元器件） ； • saber0307@；Password:0307123456
42
作业内容
• 1：单端正激电路设计报告（含变压器与电 感器的设计）；
– 主电路设计（变压器、开关管、二极管、滤波 电感、滤波电容）； – 仿真分析（1，采用理想元器件分析性能指标的 满足情况；2，评估所选元器件的合理性；3， 理想元器件与实际元器件模型带来的性能指标 差异性分析）
四．闭环仿真；
五．元件级仿真。
32
开环仿真（瞬态）、分析与模型完善
（1）原理图编辑
（2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型完善
33
（4）模型完善
滤波电感——串联电阻线路压降；（实 际设计<需要查磁芯手册>） II. 滤波电容—串联电阻 输出电压纹波； III. 线路寄生参数及其影响 I.
13
（1）原理图编辑
Switch, Power semiconductor Inductor Logic Clock Diode, ideal Resistor Capacitor
Voltage source, constant ideal DC supply
Ground, (Saber node 0)
39
（4）模型细化（完善）
① 开关管——应力计算、选取及实际器件选取；
- 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)。
题目：Buck 电路的设计与仿真 1、Buck 电路设计：
设计一降压变换器，输入电压为20V ，输出电压5V ，要求纹波电压为输出电压的0.5％，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz 和50kHz 时所需的电感、电容。
比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。
解：（1）工作频率为10kHz 时，
A.主开关管可使用MOSFET ，开关频率为10kHz ；
B.输入20V ，输出5V ，可确定占空比Dc=25%；
C.根据如下公式选择电感
H T R D L s c c 41075.310000
1
210)25.01(2)1(-⨯=⨯⨯-=-=
这个值是电感电流连续与否的临界值，L>c L 则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H 4
105.4-⨯；
D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 =∆-=
2008)1(s c T U L D U C 2
410000
15005.0105.48)25.01(5⨯⨯⨯⨯⨯-⨯-=F 4
1017.4-⨯ （2）工作频率为50kHz 时，
A.主开关管可使用MOSFET ，开关频率为50kHz ；
B.输入20V ，输出5V ，可确定占空比Dc=25%；
C.根据如下公式选择电感 H T R D L s c c 41075.050000
1
210)25.01(2)1(-⨯=⨯⨯-=-=
这个值是电感电流连续与否的临界值，L>Lc 则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H 4
109.0-⨯；
D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 =∆-=
2008)1(s c T U L D U C 2
450000
15005.0109.08)25.01(5⨯⨯⨯⨯⨯-⨯-=F 4
10833.0-⨯ 分析：
在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n 倍，则电感值减小为1/n ，电容值也减小到1/n 。
从上面推导中也得出这个结论。
2、Buck 电路仿真：
利用simpowersystems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。
输入电压为20V 的直流电压源，开关管选MOSFET 模块(参数默认)，用Pulse Generator 模块产生脉冲驱动开关管。
分别做两种开关频率下的仿真。
（一）开关频率为10Hz 时；
(1)使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。
由第一步理论计算得占空比Dc=25%；
实验仿真模型如下所示（稳态直流电压值为4.299V ）：
直流电压整体波形如下所示：
细微波形如下所示：
计算稳态直流纹波电压： 利用Matlab 菜单栏的“Desktop ”中选中“Worksapce ”，并将命名为buck 的数据组打开，并在“Variable Editor – buck.signals(1,4).values ”下，观察直流电压瞬时值：
通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为 4.308628V ，最小值为4.286866V ，所以得到V Uo 021762.0≈∆。
005.0352
.40021762
.0≈=∆Uo Uo 仿真结果与理论值基本相同。
(2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。
电感电流波形如下所示：
计算电流波动值：
利用Matlab 菜单栏的“Desktop ”中选中“Worksapce ”，并将命名为buck 的数据组打开，并在“Variable Editor – buck.signals(1,3).values ”下，观察电感电流瞬时值：
通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8390A ，最小值为0.0076A ，所以得到A i L 8314.0≈∆。
理论计算如下所示：
A T D L U i S C L 833.0100001)25.01(105.45)1(4
0=⨯-⨯=-=
∆- 仿真结果与理论值基本相同。
(3)修改占空比，观察直流电压值的变化。
A ．占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.418V ；
B ．占空比Dc=50%时，直流电压的波形值如下所示，大小为9.589V ；
C ．占空比Dc=70%时，直流电压的波形值如下所示，大小为13.95V ；
分析：
V V 09.172.0418.3=；V V 178.195.0589.9=；V V
9286.197
.095.13=. 随着占空比的增加，由公式C S O D U U ⨯=，可知输出电压值逐渐增加。
(4)将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型(只仿真开关频率10k 时的情况，使用
理论计算的占空比)：记录电感电流波形，观察不连续电流的波形；记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，与理论公式对比，并与同一占空比下电流连续时的直流电压值进行比较；计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较（需根据电流波形计算D2的大小）。
电感电流波形如下所示（电流出现断续）：
从上图中可以读到，51 2.510c s D T s -⨯=⨯，52 4.510c s D T s -⨯=⨯，s T S 4
10-= ，得
到10.25c D =，20.45c D =；
直流电压波形如下所示（稳态直流电压值为6.462V ）：
从上图中可以读到，0.065o U V ∆=；
在同一占空比下连续电流时，直流电压值为 4.298V ；由连续电流和断续电流下的电压值相比较，可以看到连续电流下的直流电压值较小，断续时的直流电压值较大。
理论公式如下：
其中10.25c D =，1875.010
1010875.14
4
=⨯⨯==--S RT L τ， 4
2
2112 1.875100.2580.251810100000.5c c s c L D D RT D -⨯+⨯-+-⨯
===； 1120.2520 6.670.250.5
c o s c c D U U V D D =
=⨯=++
可见实验测量值与理论计算值基本相近。
理论计算稳态直流纹波电压：
21442
(1)5(10.25)1
0.0688 1.87510 4.171010000
o c o s U D U T V LC ---⨯-∆=
=⨯=⨯⨯⨯⨯ 可见与仿真中得到的0.065V 相近。
（二）开关频率为50Hz 时；
(1)使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。
由第一步理论计算得占空比Dc=25%； 实验记录稳态直流电压值为4.396V ； 直流电压波形如下所示：
计算稳态直流纹波电压： 利用Matlab 菜单栏的“Desktop ”中选中“Worksapce ”，并将命名为buck 的数据组打开，并在“Variable Editor – buck.signals(1,4).values ”下，观察直流电压瞬时值：
通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为 4.405408V ，最小值为4.383011V ，所以得到V Uo 022397.0≈∆。
00509.0396
.4022397
.0==∆Uo Uo 仿真结果与理论值基本相同。
(2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。
电感电流波形如下所示：
计算电流波动值： 利用Matlab 菜单栏的“Desktop ”中选中“Worksapce ”，并将命名为buck 的数据组打开，并在“Variable Editor – buck.signals(1,3).values ”下，观察电感电流瞬时值：
通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8723A ，最小值为0.0100A ，所以得到A i L 8623.0≈∆。
理论计算如下所示：
A T D L U i S C L 8333.0500001)25.01(10
9.05)1(40=⨯-⨯=-=
∆- 仿真结果与理论值基本相同。
(3)修改占空比，观察直流电压值的变化。
A ．占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.456V ；
B ．占空比Dc=50%时，直流电压的波形值如下所示，大小为9.579V ；
C ．占空比Dc=70%时，直流电压的波形值如下所示，大小为13.68V ；
分析：
V V 28.172.0456.3=；V V 158.195.0579.9=；V V
543.197
.068.13=. 随着占空比的增加，由公式C S O D U U ⨯=，可知输出电压值逐渐增加。
2010.05.29。