实验三BUCK降压变换电路仿真分析

物电学院物电学院 照明驱动电路设计照明驱动电路设计 实验报告单实验报告单 1 实验三实验三 BUCK 降压变换电路仿真分析降压变换电路仿真分析 实验名称 实验名称 BUCK 降压变换电路仿真分析 实验目的实验目的 掌握 DC DC 变换中的基本模块 BUCK 降压转换电路的基本原理 实验原理介绍 实验原理介绍 BUCK 电路是 DC DC 变换电路中的基本模块 其主电路包括输入电源 开关管 续流二 级管以及储能电感 滤波电容和负载 它们共同完成电能的转换和传递 如图 2 2 所示 是 BUCK 电路基本结构图 它由一个开关 S 一个二级管 D 以及 LC 低通滤波器和负载所组 成 BUCK 正常工作时 开关 S 被控制电路的控制 重复导通和关断 等效于输入电压为方 波电压 通过 L C 滤波器的滤波作用 最终获得近似于直流的输出电压 若 BUCK 电路 UOUT 工作在连续导通模式下 输出电压由输入电压和占空比共同决定 而与所接入的负载大小 无关 因此设计相应工作模式的电路会比较简单可靠 假如BUCK电路已经处于稳定工作状态 则可以判定输入电压 输出电压 输出负载电 流以及占空比固定且不会发生变化 本节的主要工作是通过对BUCK转换器主电路在连续工 作模式下的稳态分析 推导出电路间各参数的关系 BUCK连续工作模式分为两个状态 第 一个状态是S导通 D关断 第二个状态是S关断 D导通 定义开关S导通状态的持续时间为 开关管S关断状态的持续时间为 一个周期时间为 占空比记做D TON OFF T TS T T S ON D 因为连续导通模式的每一个周期只存在两个状态 因此 SOFF TDT 1 姓名学号实验日期成绩 年 月 日 物电学院物电学院 照明驱动电路设计照明驱动电路设计 实验报告单实验报告单 2 开关导通时的等效电路 第一个状态 S导通 二极管D由于承受反向电压而截至 等效的电路如图所示 电感 两端的承受正向压降 电感电流逐渐增加连续导通模式下的 稳态波形如图所示 作用于 电感上的电压直流值是恒定的 因此 电感电流呈线性增长 且满足下式 Ldt UUdioutinL 则可以推出 电感纹波电流峰 峰值表达式为 L D TUU i Soutin L 工作于连续导通模式下的 BUCK 电路的波形 第二个状态 S关断 等效电路如图所示 由于流过电感的电流不能突变 电流从开 关管S转移到二极管D上 电感两端承受反向压降 使得续流二极管D导通 忽略二极管D的 压降 电感左端接地 电压为零 而电感右端电压仍为 因此 开关关断期间 Uout 开关关断时的等效电路 Ldt UdioutL 假设电路已经处于稳态 经过一个开关周期电感电流的净增量为零 利用这点 来寻 找任何开关变换器的稳态条件 根据电感伏秒平衡原理对电感进行分析有 dt t Lt di u L L 物电学院物电学院 照明驱动电路设计照明驱动电路设计 实验报告单实验报告单 3 从 0 到进行一个周期的积分 得到 TS T dtt L S uiTiLLSL 0 1 0 上式表示 在一个开关周期中电感电流的净变化量正比于在这区间加在电感上的电压 在稳态 一个开关周期的电感电流的初始值与结束值相等 显然上式左边等于 0 因此在 稳态 电感电压的周期积分为零 T dtt S uL 0 0 上式右边的单位是伏秒或磁链 上式表示在一个开关周期中波形下的总面积 TS t uL 或净伏秒必须为零 上式两边同时除以开关周期 得到 TS uu T LL S T dtt S 0 1 0 上式的右边为的平均值或直流成分 在上式表示在稳态时 施加在电感上的平 t uL 均电压为零 电感电流包围的面积代数和应为零 如图 电感电压曲线包围的面积为 TuTuuuSoutSoutinL DD T dtt S 1 0 平均值为 uL 1 D UUU T u out D outin S L UU inout D 如图所示 电容电流波形等于电感电流波形去掉直流部分后的交流成分 电感电 t iC 流是线性的 峰峰值是 幅值为 电容电压的变化量 与电感电流的交流成分的 iL 2 iL 正半周期间 对电容充电的总电荷 q 有关 根据电容关系式 Q CU 得 2 u Cq 物电学院物电学院 照明驱动电路设计照明驱动电路设计 实验报告单实验报告单 4 电荷 q 是电容电流波形过零点之间的积分 积分可以表示三角形阴影区域的面积 高 度为 由于电流波形对称 分别在 和 的子区间的中心点过零 因此 2 iL TS D TS D 1 阴影三角形的底边大小为 所以总电荷为 2 TS 222 1 TiSL q 可得电压纹波峰 峰值为 C u TiSL 4 纹波电压 上式可用于给定电压纹波是选取电容大小时参考 实际运用中 由电容等效串联电阻 所引起的附加纹波电压亦需考虑 实验步骤 实验步骤 1 根据原理图调用元器件连接电路并修改参数 2 调用函数信号发生器产生方波脉冲并调整输入方波频率 调用示波器观察输入 输出端波形 观察结果 记录数据 实验结果 实验结果 1 BUCK 电路原理图电路原理图 物电学院物电学院 照明驱动电路设计照明驱动电路设计 实验报告单实验报告单 5 2 典型频率点的输出波形与输出幅值 典型频率点的输出波形与输出幅值 函数信号发生器产生函数信号发生器产生 Vp 20v 频率为频率为 0 1khz 0 5khz 1 5khz 2 5khz 3 5khz