数字式Buck变换器的设计与仿真.doc
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1、数字式Buck变换器的设计与仿真 作者: 日期:2 个人收集整理 勿做商业用途 数字式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 4 -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- 7 -2.2。4 开关管Q的选取- 7 -2。2。5 续流二极管D的选取- 8 3 Buck变换器闭环控制的参数设计 9 -3。1
2、 闭环控制原理 9 -3。2 Buck变换器的闭环电路参数设计 10 -3.2.1 Gvd(s)的传递函数分析 10 -3。2。2 补偿环节Gc(s)的设计- 13 -3.2.3 补偿环节参数设计- 15 4 Buck变换器闭环仿真- 19 -4.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标- 19 4.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图- 20 -4.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析- 20 -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.驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止,当晶体管导通时,若忽略其
3、饱和压降,输出电压uo等于输入电压;当晶体管截止时,若忽略晶体管的漏电流,输出电压为0。电路的主要工作波形如图1.2。图1.1 Buck变换器电路图1.2 Buck变换器的主要工作波形1。2 Buck变换器工作模态分析在分析Buck变换器之前,做出以下假设: 开关管Q、二极管D均为理想器件; 电感、电容均为理想元件;电感电流连续; 当电路进入稳态工作时,可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中,变换器有2种开关模态,其等效电路如图1.3所示,各开关模态的工作情况描述如下:(1) 开关模态0t0t1t0t1对应图1。3(a)。在t0时刻,开关管Q恰好开通,二极管D截止。此时: (式1-1)电感中
4、的电流线性上升,式1-1可写成: (式12)(2) 开关模态1t1t2t1t2对应图1.3(b)。在t1时刻,开关管Q恰好关断,二极管D导通。此时: (式1-3)电感中的电流线性下降,式1-3可写成: (式1-4)式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时,联解式12与式14可得: (式1-5)输出电流平均值: (式1-6) 图1.3(a) t0t1 图1.3(b) t1t2图1.3(a) t1t2的主要工作波形图1.3(b) t1t2的主要工作波形1.3 Buck变化器外特性在恒定占空比下,变化器的输出电压与输出电流的关系Uo=f(io)称为变换器的外特性。式1-5表示了电感电流连续时变换器
5、的外特性,输出电压与负载电流无关。当负载电流减小时,可能出现电感电流断续现象。图1。4为电感电流断续时电流波形图。由式12与式1-4可知,当输入电压和输出电压一定时,为常数。由式1-6可见,当负载电流减少到时,此时最小负载电流,即为电感临界连续电流: (式17)由式12及式1-5得,带入式1-7得: (式18)由上式可见,临界连续电流与占空度的关系为二次函数,当D=1/2时,临界连续电流达到最大值: (式19)当电感电流断续时,即在Toff结束前续流二极管的电流已下降到0,此时输出的平均电流为: (式110)式中,为开关管关断后电感电流持续的时间,并且: (式1-11)稳态时,,由式111得:
6、 (式112)将式111及式1-12带入式1-10得: (式113)即: (式1-14)图1。4 电感电流断续时电流波形可见在电流断续区,输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关,而且与负载电流有关。2 Buck变换器参数设计2.1 Buck变换器性能指标l 输入电压:Vin=10VDC;l 输出性能:Vout=5VDC; Vout(pp)=0。2v; Iout=10A; 当Iout=0.1A时,电感电流临界连续。l 开关频率:fs=200KHz。2.2 Buck变换器主电路设计2。2.1 占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围:D=U
7、o/Ui=5/10=0.5 (式21)2.2。2 滤波电感Lf(1)滤波电感量Lf计算变换器轻载时,如果工作在电流连续区,那么为了保持一定的输出电压,占空比大为减小,也就是说开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和,变换器的输出将出现失控或输出纹波加大,因此希望变换器工作在电感电流连续状态。所以,以最小输出电流Iomin作为电感临界连续电流来设计电感,即。在Q关断时,由式14得: =5x(1-0.5) /(0。2x200)=62。5uH。 (式22)由LfLf(min),取Lf=62.5uH。 2。2。3 滤波电容Cf(1) 滤波电容量Cf计算在开关变换器中,滤波
8、电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取.该Buck变换器的输出电压纹波要求Vout(pp)0。2v。若设,即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量,电容在时间间隔内充放电,电容充电的平均电流: (式2-8)电容峰峰值纹波电压为: (式2-9)因此,得: (式2-10)取,D=0。5时,Cf的值最大。即: (式2-11)由CfCf(max)得,取Cf=62uF。(2)滤波电容的耐压值输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值,一般比输出电压的最大值高一些,但不必高太多,以降低成本.由于最大输出电压为5V,则电容的耐压值为5V。(3)滤波电容的选取由输出滤波电容的电容量Cf=62uF,耐压值为5
9、V,留有一定的裕量,则选取62uF/5V电容.2.2.4 开关管Q的选取该电路的输入电压是10V,则开关管耐压值为10V,电流的最大值为,其开关频率为,因此选用的MOSFET管,其额定值为.2。2。5 续流二极管D的选取w续流二极管所承受的最大反向电压为Vin=10V;在时,二极管电流的有效值为;续流二极管的工作频率为f=200KHz。考虑一定的裕量,选用肖特基二极管SR1501,其电压和电流额定值为:10V/10A。3 Buck变换器闭环控制的参数设计3。1 闭环控制原理为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标,需要对变化器进行闭环控制。其工作原理为:输出电压采样与电压基准送到误差放大
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