基于BUCK电路的电源设计课程设计

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时间:2017-07-21

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1、现代电源技术基于BUCK电路的电源设计目录摘要2一、设计意义及目的3二、Buck电路基本原理和设计指标32.1Buck电路基本原理32.2Buck电路设计指标5三、参数计算及交流小信号等效模型建立53.1电路参数计算53.2交流小信号等效模型建立9四、控制器设计10五、Matlab电路仿真165.1开环系统仿真165.2闭环系统仿真17六、设计总结20摘要Buck电路是DC-DC电路中一种重要的基本电路,具有体积小、效率高的优点。本次设计采用Buck电路作为主电路进行开关电源设计,根据伏秒平衡、安秒平衡、小扰动近似等原理,通过交流小信号模型的建立和控制器的设计,成功地设计了Buck电路开关

2、电源,通过MATLAB/Simulink进行仿真达到了预设的参数要求,并有效地缩短了调节时间和纹波。通过此次设计,对所学课程的有效复习与巩固,并初步掌握了开关电源的设计方法,为以后的学习奠定基础。关键词:开关电源设计Buck电路一、设计意义及目的通常所用电力分为直流和交流两种,从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求,因此需要进行电力变换。常用的电力变换分为四大类,即:交流变直流(AC-DC),直流变交流(DC-AC),直流变直流(DC-DC),交流变交流(AC-AC)。其中DC-DC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,包过直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变

3、流电路又称斩波电路,它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,主要包括六种基本斩波电路:Buck电路,Boost电路,Buck-Boost电路,Cuk电路,Sepic电路,Zeta电路。其中最基本的一种电路就是Buck电路。因此,本文选用Buck电路作为主电路进行电源设计,以达到熟悉开关电源基本原理,熟悉伏秒平衡、安秒平衡、小扰动近似等原理,熟练的运用开关电源直流变压器等效模型,熟悉开关电源的交流小信号模型及控制器设计原理的目的。这些知识均是《线代电源设计》课程中所学核心知识点,通过本次设计,将有效巩固课堂所学知识,并加深理解。二、Buck电路基本原理和设计指标2.1Buck电

4、路基本原理Buck变换器也称降压式变换器,是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器,主要用于电力电路的供电电源,也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。其基本结构如图1所示:1图1Buck电路基本结构图在上图所示电路中,电感L和电容C组成低通滤波器,此滤波器设计的原则是使Vs(t)的直流分量可以通过,而抑制Vs(t)的谐波分量通过;电容上输出电压V(t)就是Vs(t)的直流分量再附加微小纹波Vripple(t)。由于电路工作频率很高,一个开关周期内电容充放电引起的纹波Vripple(t)很小,相对于电容上输出的直流电压V有:。电容上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态工作时,输出电容上电压

5、由微小的纹波和较大的直流分量组成,宏观上可以看作是恒定直流,这就是开关电路稳态分析中的小扰动近似原理。一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时,电容电压升高,导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加,使电容电压上升速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,此时电压维持不变;反之,如果一个周期内放电电荷高于充电电荷,将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小,使电容电压下降速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程,在电路稳态工作时,电路达到稳定平衡,电容上充放电也达到平衡。当开关管导通时,电感电流增加,电感储能;而当开关管关断时,电感电流

6、减小,电感释能。假定电流增加量大于电流减小量,则一个开关周期内电感上磁链增量为:。此增量将产生一个平均感应电势:。1此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度,最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零;一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量(磁链平均增量)为零的现象称为:电感伏秒平衡。2.2Buck电路设计指标基于如上电路基本原理,设定如下指标:输入电压:25v输出电压:5v输出功率:10W开关频率:100KHz电流扰动:15%电压纹波:0.02根据上述参数可知:R=2.5Ω三、参数计算及交流小信号等效模型建立3.1电路参

7、数计算根据如图2所示Buck电路开关等效图可知:图2Buck电路的开关等效图1Buck有两种工作状态,通过对开关管导通与关断时(即开关处于1时和2时)的电路进行分析可计算出电路的电感值。其开关导通与关断时对应的等效电路图如图3、4所示:图3导通时等效电路图4关断时等效电路开关处于1位置时,对应的等效电路为图3,此时电感电压为:(1)根据小扰动近似得:(2)同理,开关处于2位置时,对应的等效电路为图4,此时电感电压为:(3

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