基于本质安全的Buck DCDC 变换器的设计考虑
DCDC升压稳压变换器设计
DCDC升压稳压变换器设计DC-DC升压稳压变换器是一种常见的电源变换器，用于将低压直流电源（如电池）的电压升高为所需的高压输出。
本文将介绍DC-DC升压稳压变换器的设计原理、组成部分及其工作原理，并进行详细的分析和说明。
DC-DC升压稳压变换器设计的主要目标是将输入直流电压升压到所需的输出电压，同时保持输出电压稳定且具有良好的电流调整性能。
为了实现这一目标，设计者需要考虑以下几个方面：1.输入输出电压和电流：首先确定所需输出电压和电流的数值。
根据要求选择相应的元件和电路拓扑结构。
2. 拓扑结构选择：常见的DC-DC升压稳压变换器拓扑结构有Boost、Flyback和SEPIC等。
选择适合的拓扑结构需要考虑功率转换效率、元件数量和输入输出电流等因素。
3.元件参数选择：选择合适的功率开关管、电感、电容和二极管等元件参数。
元件的选择需考虑其工作频率、电流承受能力和输出纹波等因素。
4.控制电路设计：设计合适的开关控制电路，能够实现稳定的输出电压。
常用的控制电路有单片机控制、模拟控制和PWM控制等。
采用合适的控制方法可以保持输出电压的稳定性和动态响应性。
5.保护电路设计：为了保护DC-DC升压稳压变换器和被供电设备的安全，需要考虑过压、过流和短路保护等电路设计。
这些保护电路可以提高系统的可靠性和安全性。
在进行具体的设计时，首先需要确定输出电压和电流的数值要求，并进一步计算电路参数。
然后选择合适的拓扑结构和元件，并设计出合适的控制电路和保护电路。
接下来进行电路仿真和实验验证，对设计结果进行验证和调整，确保电路性能和稳定性。
最后对整个设计过程进行总结和文档记录。
综上所述，DC-DC升压稳压变换器设计是一个复杂而关键的过程，需要考虑多个因素并进行系统性的设计和调试。
通过合理设计和优化，可以得到稳定性好、效率高且尺寸小巧的DC-DC升压稳压变换器。
这些变换器可以广泛应用于各种电子设备和系统中，如移动电源、电动车充电器和太阳能系统等。
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。
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。
汽车电子系统降压型BUCK变换器的设计技巧
汽车电子系统降压型BUCK变换器的设计技巧目前高频高效的DCDC 变换器在汽车电子系统中的应用越来越多。
高的开关频率可以使用较小的功率电感和输出滤除电容，从而在整体上减小的系统的尺寸，提高系统的紧凑性，并降低系统的成本;高的工作效率可以提高汽车电池的使用时间，降低系统的功率损耗，从而减小系统的发热量，优化系统的热设计，并进一步提高系统的可靠性。
但高的开关频率会降低系统的工作效率，因此在设计时必须在开关频率和工作效率之间作一些折衷处理。
本文主要针对DCDC 降压型BUCK 变换器应用于汽车电子系统时，探讨包括上述问题在内的一些设计技艺和注意事项，而且这些问题往往是工程现在设计时容易忽略的细节。
1 实际的最小及最大输入工作电压1.1 开关频率开关频率必须在效率，元件的尺寸，最小的输入与输出电压差，最大输入电压之间进行折衷处理。
高的开关频率可以减小电感和电容的值，因此可以使用较小体积和尺寸的电感和电容，并降低成本。
但高的开关频率会降低效率，并降低实际的最大的工作输入电压，以及要求更高的输入输出电压差。
最高的开关频率可以由下式计算：其中： f S(MAX )为最大的开关频率，tON(MIN) 为开关管要求的最小的导通时间，VD 为续流二极管的正向压降，VOUT 为输出电压，VIN 为正常工作的输入电压，VDS (ON ) 为开关管的导通压降。
上式表明：t ON(MIN) 一定时，低的占空比要求更低的开关频率才能保证系统安全的操作。
同样的，低的开关频率允许更低的输入输出电压差。
输入电压依赖于开关频率的主要原因在于PWM控制器的具有最小的开通t ON(MIN) 和最小关断时间tOFF(MIN) 。
如果其取值为150ns，也就是说开关管开通时导通时间至少要持续150ns ，低于150ns 可能导致MOSFET无法正常的开启;同样的，开关管关断时关断的时间至少要持续150ns，低于150ns可能导致MOSFET 无法正常的关断。
一个稳定的buck／boostDC—DC转换器的环路设计
一个稳定的buck／boostDC—DC转换器的环路设计【摘要】本文设计了一款脉冲宽度调制的稳定的DC-DC转换器环路。
该转换器可以根据输入电压的变化设置四个MOS开关管的开关状态而工作在升压或降压模式而提高效率。
另外，芯片的稳定性也是设计的难点之一。
本文基于运算跨导放大器补偿网络实现反馈回路的频率补偿，使整个环路有合适的相位裕度，并分析bode图，最后用cadence软件针对具体的电路进行仿真，并给出仿真结果。
【关键词】DC-DC;环路稳定;buck;boost1.引言在DC-DC转换器的设计中，电路的稳定性是系统设计中的一个难点，它必须在整个输入电压范围内或者输入发生变化时保持输出稳定。
本文针对buck/boost型DC-DC转换器设计了一个频率补偿方案，可以为相应的电路设计提供参考。
除了可以在电路的设计上采用一些较为传统的方式提高稳定性外，比如提高误差放大器的增益和基准电压、基准电流的精度，还可以增加环路补偿电路，来保证电压反馈环路的稳定。
本文主要通过对环路的两个部分分析，通过稳定条件，给出bode图，最后在给定参考值下用cadence软件仿真。
在电源电压由2.7V至5.5V变化时，输出电压的纹波满足设计要求，电路的稳定性非常好。
2.环路设计一个完整的buck/boost型DC-DC转换器应该包括基准电压产生电路、斜坡信号产生电路、误差放大器、逻辑和驱动电路等重要模块。
除此之外，还会包括过温保护、欠压锁定和软起动等保护电路。
文章则是通过对上述结构的转换器简化，将非线性结构线性化，分析其稳定性，并进行频率补偿。
控制环路结构简化图如图1所示，先分析buck模式下的稳定性，即当S3闭合S4断开，而和在每个周期中交替导通时。
图1 简化结构图下面分两个部分对上述结构讨论。
2.1 控制到输出这部分采用脉冲宽度调制（PWM），保持频率（150KHZ）不变，调节占空比（D）从而调节开关管的导通时间，控制输出电压。
基于PWM模式控制的Buck型DC_DC芯片的设计
1.2 电源管理类芯片的介绍
电源管理类芯片按照其功能与电路结构，可以分为连续工作式电源与开关式 电源。连续工作式电源的输出驱动管处于常通模式，优点是输出纹波小，稳定性 好，缺点是损耗大，效率低，主要的代表是线性稳压器（LDO） 。开关式电源的输 出管受脉冲宽度调试（PWM）或脉冲频率调制（PFM）控制，处于导通—关断交 替工作的状态，以一定的占空比维持输出稳定电压。开关式电源的优点是低功耗， 高效率，缺点是输出噪声大，EMI干扰大，主要的代表是AC_DC转换器，DC_DC 转换器与电荷泵。 一、LDO LDO （Low-Dropout-Voltage） 一般由输出驱动管、 误差放大器与补偿网络组成， 通过反馈输出分压至误差放大器以维持输出电压稳定。输出驱动管受误差放大器 的输出控制，处于线性区以保持较低的导通阻抗。LDO的结构简单，静态功耗低， 且输出纹波较小。但LDO只能实现降压转换，且输出管处于常通模式，当负载电 流较大或者电源电压较高时，输出管上的能量损耗就会增大，从而导致效率的降 低。LDO只适用于mA级的负载电流与输入、输出电压相差不大的情况。 二、AC_DC 转换器 AC_DC转换器[2]是将交流变为直流，其功率的流向可以是双向的。功率流由 电源流向负载称为“整流”，功率流由负载返回电源称为“有源逆变”。AC_DC转换 器的输入为50/60Hz的交流电，必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容 器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如 UL,CCEE 等）及 EMC 等的限制（如 IEC,FCC,CSA） ，交流输入端必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就 限制AC_DC电源体积的小型化。AC_DC变换器按电路的接线方式分为半波电路、 全波电路。按电源相数分为单相、三相与多相，按工作象限又可分为一象限、二 象限、三象限、四象限。 三、DC_DC 转换器 DC_DC 转换器是将可变的直流电压变换成固定的直流电压，也称为直流斩波 ，周期（Ts）不变，导通 器。它有两种基本工作方式，一是脉宽调制方式（PWM） 时间（ton）可变；另一种是频率调制方式(PFM)，ton 不变，周期 Ts 可变。DC_DC
DCDC Buck转换器CCM设计与仿真系统
DCDC Buck转换器CCM设计与仿真系统DCDC Buck转换器是一种常见的直流-直流电源转换电路，广泛应用于电子设备中。
反激型的Buck转换器常常用于需要降压转换的电源系统中，提供稳定的低压输出电压。
为了更好地理解和设计DCDC Buck转换器，采用CCM（连续导电模式）控制方式是一种常见的设计方法。
CCM设计可以实现更稳定的输出电压，更低的输出纹波以及更好的动态响应。
因此，本文将重点介绍DCDC Buck转换器CCM设计与仿真系统。
1. 系统概述DCDC Buck转换器CCM设计与仿真系统主要由以下模块组成：1.1 输入电源模块：提供输入电压给DCDC Buck转换器，一般为直流电压。
1.2 Buck转换器模块：实现降压转换功能，将输入电压转换为所需的稳定输出电压。
1.3 控制模块：采用CCM控制方式，监测输出电压并根据反馈信号进行控制调节，以实现稳定输出。
1.4 仿真模块：使用电路仿真工具进行DCDC Buck转换器的性能分析和仿真。
2. CCM设计步骤2.1 确定输入和输出电压：根据实际需求确定DCDC Buck转换器的输入和输出电压。
2.2 选择合适的开关元件：根据输入电压和输出电压的范围选择合适的开关元件，如MOSFET。
2.3 确定开关频率：选择合适的开关频率，一般较高的开关频率可以减小输出纹波并提高效率。
2.4 确定电感和输出电容：根据输入电压、输出电压以及所需纹波电流确定合适的电感和输出电容。
2.5 设计反馈控制回路：根据采用的控制策略设计反馈控制回路，监测输出电压并提供反馈信号。
2.6 仿真分析：使用仿真工具进行性能分析和仿真，评估设计的稳定性、效率和输出纹波等参数。
3. 仿真系统介绍在DCDC Buck转换器CCM设计过程中，借助电路仿真工具能够有效地分析和优化设计方案。
下面将详细介绍仿真系统的几个关键功能。
3.1 输入参数设置：仿真系统提供设置输入电压、输出电压、开关频率、电感和输出电容等参数的功能。
用于IGBT驱动的BUCK型SIMO DC-DC转换器设计
用于IGBT驱动的BUCK型SIMO DC-DC转换器设计电源是电子设备的重要组成部分,电源的可靠性对于电子设备的稳定工作至关重要。
电子技术的快速发展使得电子产品对电源管理的需求逐渐增大。
在众多电源中,DC-DC转换器具有集成度高、体积小、转换效率高等优点,而且可以实现不同类型的输出电压,因而成为研究热点。
根据课题团队项目IGBT
驱动芯片对电源电压的应用要求,本文设计了一款BUCK型单电感多输出(Single Inductor Multiple Outputs,SIMO)DC-DC转换器,输入电压为24V,输出电压分别为5V、9V和15V,负载电流变化范围为100mA-600mA。
该转换器系统采用新型有序功率分配(Ordered Power Distributive Control,OPDC)时序控制方式,同时考虑到负载条件和交叉干扰问题,选择了伪连续导通模式(Pseudo Continuous Conduction Mode,PCCM),固定工作频率为1MHz,为IGBT驱动芯片提供三种输出电压。
论文完成了转换器整体系统的设计,包括功率级参数选取及反馈控制环路的设计,并考虑到实际应用中的要求,对各个模块电路的性能进行了不同温度和不同工艺角的仿真和验证。
在此基础上对整体电路进行了系统仿真,包括启动特性、稳态特性、动态特性和转换效率等。
基于CSMC 0.25μm BCD工艺库对各模块电路、版图进行设计和仿真,仿真结果显示,各模块电路以及整体系统在具体应用要求下均可以稳定工作,在负载范围内,系统的转换效率高于80%,最大电压纹波小于35mV,负载跳变时响应时间小于20μs,满足设计指标要求。
同时与同类型转换器进行对比,结果表明本文设计的转换器综合性能良好。
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。
BUCK DCDC电路得设计
电气与电子信息工程学院电力电子课程设计设计题目:降压斩波电路设计专业班级:电气工程及其自动化本科1班学号: 2姓名:指导教师:设计时间:2011/5/3～2011/5/13设计地点:K2电力电子实验室电力电子课程设计成绩评定表姓名朱波学号 2课程设计题目:课程设计答辩或质疑记录:1、电压型逆变电路有什么特点？(1)直流侧为电压源或并联大电容,直流侧电压基本无脉动(2)输出电压为矩形波,输出电流因负载阻抗不同而不同(3)阻感负载时需提供无功。
为了给交流侧向直流侧反馈得无功提供通道,逆变桥各臂并联反馈二极管2、在选择IGBT时应注意什么？在选择IGBT模块时,应考虑器件耐压电流2个参数确定。
在器件耐压电流参数确定时,首先根据IGBT模块工作在交流电网通过单相或三相整流后得直流母线电压下,通常模块工作电压(600V、1200V、1700V分为3个电压等级)均对应于常用电网电压等级。
考虑到因过载、电压波动、开关过程引起得电压尖峰等因素,通常电力电子设备选择IGBT器件耐压都就是直流母线得1倍。
成绩评定依据:课程设计考勤情况(20％):课程设计答辩情况(30％):完成设计任务及报告规范性(50％)::2011年5 月20 日《电力电子课程设计》课程设计任务书学生姓名: 专业班级:电气工程及其自动化指导教师: 工作部门:电气学院电气自动化教研室一、课程设计题目:降压斩波电路设计二、课程设计内容1、根据具体设计课题得技术指标与给定条件,能独立而正确地进行方案论证与电路设计,要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整;2、学会查阅有关参考资料与手册,并能正确选择有关元器件与参数;3、编写设计说明书,参考毕业设计论文格式撰写设计报告(5000字以上)。
注:详细要求与技术指标见附录。
三、进度安排2.执行要求电力电子课程设计共9个选题,每组不得超过6人,要求学生在教师得指导下,独力完成所设计得系统主电路、控制电路等详细得设计(包括计算与器件选型)。
- 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)。
中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集基于本质安全的Buck DC/DC变换器的设计考虑寇蕾1刘树林21)2)西安科技大学电气与控制工程学院，陕西，西安，710054摘 要 根据Buck变换器的输出电压纹波要求，得出最小电感和最小电容；以电容电路的最小点燃电压曲线和电感电路的最小点燃电流曲线作为Buck变换器本质安全的判断依据，得出了最大电感和最大电容，从而得出了同时满足内部本安、输出本安和输出电压纹波要求的电感、电容的设计范围。
文中给出了设计实例，实验结果验证了所提设计方法的可行性和正确性。
关键词 Buck变换器 本质安全电路 输出电压纹波 设计Design Consideration of Buck Converter Based on Intrinsic SafetyKou Lei1 Liu Shulin21)2)Xi’an University of Science & Technology, Xi’an, 710054,ChinaAbstract According to the output voltage ripple of Buck converters, the minimum inductance and capacitance are obtained. The minimum ignition voltage curve and the minimum ignition current curve are regarded as the criterion of the intrinsic safety of the buck converter, and the maximum inductance and capacitance are deduced. Therefore the region of the inductance and capacitance meeting the requirement of inner and output intrinsic safety and output voltage ripple. The experiment results are in positive to the analysis results showing the feasibility of the proposed methods.Keywords Buck converters, intrinsic safety, output voltage ripple, design1．引言应用在煤矿、石化等危险性环境的直流电源必须满足防爆的要求。
在众多的防爆类型中，本质安全型是最佳的防爆形式，即要求在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸混合物[1]。
由于开关电源具有转换效率高、输入动态范围宽并且体积小、重量轻等优点，近年来越来越多的科技人员开始研究采用开关电源构成本质安全型直流电源[2~5]。
而开关电源是功率较大的电子设备，其面临的本质安全问题更为突出。
应用于危险环境的本质安全开关电源通常采用一个隔离整流环节和一个DC-DC变换器级联构成。
随着电子技术的发展，各种电子设备的供电电压越来越低，而对于危险环境的开关电源，考虑到蓄电池电压和电源输出电压的需要，Buck DC-DC变换器显然将得到广泛应用[5,7]。
但Buck变换器中含有较大容量的储能元件：电感和电容，因此在电感出现断开或输出出现短路等故障时，所产生的电火花很容易点燃易燃易爆气体或它们的混合物。
为了满足本质安全的需要，文献[2]提出了采取双端输入增频法减小开关变换器的输出滤波电容，从而减小输出短路放电火花的方法，但是电路结构和控制方法比较复杂。
实际上通过分析变换器的本质安全特性，并结合本质安全的判断条件，合理选择元件参数，就可设计出满足电气指标要求和本质安全要求的变换器[5]。
本文结合Buck变换器的极限参数，以同时满足输出纹波电压、内部本质安全和输出本质安全要求为约束条件，得出了B uck变换器电感、电容的设计范围，对本质安全开关变换器的设计具有指导意义。
2．Buck 变换器的组成及其极限参数Buck DC-DC 变换器的组成如图1所示。
图1. Buck DC-DC 变换器设开关周期为T S ，导通时间为T ON ，则开关频率f=1/T S ，开关导通比d=T ON /T S 。
当buck 变换器工作在连续导电模式(CCM)时，输出电压V O 和输入电压V i 的关系为：d=V O /V i 。
Buck 变换器工作在CCM 与DCM 的临界电感L C为[5]iO i L C fV V V R L 2)(−=(1)当电感L>L C 时，变换器工作在CCM ；而当电感L <L C 时，变换器工作在DCM 。
当buck 变换器工作在CCM 模式时，输出纹波电压峰峰值CCM PP V ,为[7]iO i O CCM PP V LCf V V V V 2,8)(−=(2)流过电感的最大电流为[4]LfV V V R V I i O O L O L 2)/1(max ,−+=(3) 输出短路时释放的最大能量W 为[5]22)1(222maxO i O O L O CV Lf V V V R V LW +⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+= (4) 3．Buck 变换器的本质安全判断3.1 内部本质安全判断对于开关变换器内部的本质安全，主要考虑因电感断开产生的电火花的引燃能力，而断开电感的电火花能量取决于流过电感的最大电流，其安全性可根据感性电路的最小点燃电流曲线判断[1]。
如果在其工作范围内流过电感电流的最大值I L ,max小于最小点燃电流I B ，则可判定该变换器内部是本质安全的。
在设计和检验本质安全电路时还要考虑足够的安全系数K （一般取1.5～2.0），如果K I I L / B max ,< (5)则该变换器是满足内部本质安全要求的。
3.2 输出本质安全判断对Buck DC-DC 变换器的输出本安判断而言，其输出属于容性电路。
根据容性电路的最小点燃电压曲线[1]可知，对于一给定的电容C B ，可查得对应的最小点燃电压U 。
如果变换器的输出电压为V O ，为确保变换器的输出本质安全，我们必须考虑足够的安全系数K ，即对应于输出电压V O 的最小点燃电压U 为O KV U = (6)则考虑到安全系数K 后，对应电容C B 和输出电压V O 的最小点燃放电能量W B 为25.0O B B V C W =(7)因此，对于Buck DC-DC 变换器，如果在其工作范围内的最大输出短路能量都小于W B ，则可判定该变换器是输出本质安全的，即变换器输出本质安全的判定条件为B W W <max (8)4．本质安全Buck 变换器电感和电容的设计应用上述理论分析，对一台应用于Ⅰ类环境的输出本安Buck DC-DC 变换器进行设计。
具体指标：输入电压为27V ，负载为36Ω，输出电压V O =18V ，输出纹波电压V PP =2%V O ，工作频率为52kHz 。
4.1 电感的设计范围电感的最小值由变换器的工作模式确定。
在额定负载时，通常将变换器设计为CCM ，根据式(1)可求得电感的最小值L min ＝115μH 。
电感的最小值L min 确定后，还应考虑到电感上的电流最大值对本质安全的影响。
通常电感越小，电感上的峰值电流就越大，电感断开的电火花就越容易点燃易燃易爆气体，因此电感的取值不能太小。
在电感电流一定的情况下，由感性电路的最小点燃电流曲线可知，电感的取值又不能太大，即电感存在一个上限值。
其上限值的确定是在电感的最小值L min 已知的情况下进行的，确定方法如下：第1步：令k =0，min )(max L L k =；第2步：将)(max k L 代入式(3)得此时流过电感的最大电流I L ,max ，根据感性电路的最小点燃电流曲线，查得满足I L ,max ＜I B /K 的最大电感值)1(max +k L 。
第3步：判断)(max )1(max k k L L −+＜ε（其中ε为任意小的正数）是否成立，若成立，则：()max max k L L =，结束；否则：k =k +1，返回第2步。
根据以上步骤，可确定出电感的最大值L max ＝670μH 。
则电感在[L min ，L max ]范围内取值时，能同时满足电气指标和内部本安的要求。
4.2 电容的设计范围电容的设计是在电感值确定的条件下进行的。
首先将满足输出电压纹波要求的电容作为电容设计值的下限。
根据式(2)可以得出理论上需要的最小输出滤波电容C min 为PPi O O V Lf V V V C 2min 8)/1(−=(9)但在实际的电路中，元器件存在的杂散参数使得必须选用大于C min 计算值的滤波电容才能达到纹波要求，因此电容的设计值可取为PPi O O V Lf V V V C C 2min 8)/1(−==λλ (10)其中，λ值取2～4。
以满足输出本质安全要求作为电容设计值的上限。
根据式(4)、(6)可得C max 为22O 2O max max 2)/1(2⎦⎤⎢⎣⎡−+−=Lf V V V R V V L V W C i O O L O (11) 则电容在[C min ，C max ]范围内取值时，能同时满足电气指标和输出本安的要求。
根据容性电路火花放电最小点燃电压曲线[1]，取安全系数K =1.5，查得电压U =18×1.5=27V 对应的电容C B ＝10μF ，可得对应的最小点燃能量W B =1.62mJ 。
4.3 电感和电容的设计范围将以上方法确定的电感、电容设计范围展现在L-C 平面上如图2所示。
四条曲线围成的区域ABC 就是满足变换器电气指标及本质安全要求的电感、电容值设计范围。
本例选取L =300μH ，C =8μF 进行实验。
图2 电感、电容参数设计区域5．实验结果和分析用示波器测得变换器的电感电流、纹波电压和输出短路电压、电流及能量的实验波形分别如图3(a)和(b)所示。
由图3(a)波形可以看出：此时变换器的输出纹波电压为320mv<2％V O =360mv ，可见，变换器满足纹波电压指标要求；由图3(a)波形可以看出：此时变换器的最大电感电流为0.8A ，从文献[1]提供的感性电路的最小点燃电流曲线查得：300μH 的电感对应的最小点燃电流为1.9A ，所以该变换器满足内部本质安全要求；由图3(b)波形可以看出：此时变换器的输出短路释放能量为0.62mJ<W B ＝1.62mJ ，所以该变换器满足输出本质安全要求。