基于BUCK电路的电源设计

现代供电技术基于BUCK电路的电源设计学校：专业化：姓氏：班级级别：号码：讲师：日期：目录摘要2一、设计意义和目的3二。降压电路3的基本原理和设计指标2.1降压电路3的基本原理2.2降压电路设计指数53.交流小信号5的参数计算及等效模型的建立3.1电路参数的计算53.2交流小信号等效模型的建立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摘要降压电路是DC-DC电路中重要的基础电路，具有体积小、效率高的优点。在本设计中，降压电路被用作开关电源设计的主电路。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电路开关电源。通过MATLAB/Simulink仿真，达到了预定的参数要求，有效地缩短了调节时间和纹波。通过本次设计，我们有效地复习和巩固了所学的课程，初步掌握了开关电源的设计方法，为以后的学习打下了基础。关键词：开关电源设计降压电路一、设计的意义和目的一般来说，使用的电力分为直流电和交流电。从这些电源获得的功率不能直接满足要求，因此需要功率转换。常用的功率转换分为四类，即：交流到直流(交流-DC)、直流到交流(DC-交流)、直流到直流(DC-DC)、交流到交流(交流-交流)。其中，DC-DC电路的功能是将直流电流转换成另一个固定电压或可调电压的直流电流，涵盖直流变换器电路和间接直流变换器电路。直接DC转换电路也称为斩波电路。其功能是用另一个固定电压或可调电压将DC转换成DC。它主要包括六个基本斩波电路：降压电路、升压电路、降压升压电路、Cuk电路、Sepic电路和Zeta电路。最基本的电路之一是降压电路。因此，为了达到熟悉开关电源的基本原理，熟悉伏秒平衡、安秒平衡、小扰动逼近等原理的目的，电源设计选择了Buck电路作为主电路。熟练使用开关电源的直流变压器的等效模型，并熟悉开关电源的交流小信号模型和控制器的设计原理。这些知识都是在线代电源设计课程中学到的核心知识点。通过这种设计，我们将有效地巩固课堂上学到的知识，加深我们的理解。二。降压电路的基本原理和设计指标2.1降压电路的基本原理降压转换器也称为降压转换器，它是一种输出电压低于输入电压的单管非隔离DC转换器。主要用于电源电路的供电，也可驱动DC电机或带蓄电池的负载。它的基本结构如图1所示。图1降压电路的基本结构图在上图所示的电路中，电感l和电容c构成一个低通滤波器。该滤波器的设计原则是允许Vs(t)的直流分量通过，同时抑制Vs(t)的谐波分量通过。电容上的输出电压v (t)是Vs(t)的直流分量加上一个小纹波V(t)。由于电路工作频率高，电容在一个开关周期内充放电引起的纹波Vripple(t)非常小，相对于电容上输出的DC电压v，纹波为：v纹波(t) maxv。电容器上的电压在宏观上可以认为是恒定的。当电路工作在稳态时，输出电容上的电压由微小的纹波和大的DC分量组成，从宏观上可以看作是DC常数。这是开关电路稳态分析中的小扰动近似原理。当电容器的充电电荷在一个循环中高于放电电荷时，电容器电压上升，导致充电电荷在下一个循环中减少而放电电荷增加，从而减慢电容器电压的上升速度。这个过程一直持续到达到充放电平衡，此时电压保持不变。相反，如果在一个循环中放电电荷高于充电电荷，则在下一个循环中充电电荷将增加，放电电荷将减少，从而减慢电容器的电压降速率。这一过程将持续到达到充放电平衡，电压保持不变。这个过程是电容器上电压调整的过渡过程。当电路工作在稳态时，电路达到稳定平衡，电容器的充放电也达到平衡。当开关管接通时，电感电流增加，电感储存能量。当开关管关闭时，电感电流降低，电感释放能量。假设电流增加大于电流减少，在一个开关周期内电感上的磁链增量为=1(1)0。该增量将产生平均感应电势：u=t0。该电位将同时降低电感电流的上升速度和下降速度，最终导致一个周期内电感电流的平均增量为零。当一个开关周期内电感上的磁链增量小于零时，情况也是如此。稳态条件下一个周期内电感电流的平均增量(磁链的平均增量)为零的现象称为电感伏秒平衡。2.2降压电路设计指数根据上述电路的基本原理，设置以下指标：输入电压：25v输出电压：5v输出功率：10W开关频率：100千赫电流干扰：15%电压纹波：0.02根据上述参数，R=2.53.交流小信号的参数计算及等效模型建立3.1电路参数的计算根据图2所示的降压电路的开关等效图，可以看出：图2降压电路的开关等效图巴克有两种工作状态。当开关管接通和断开时(即当开关处于1和2时)，可以通过分析电路来计算电路的电感值。图3和图4中示出了对应于开关的接通和断开的等效电路图。图3导电时的等效电路图4关机时的等效电路当开关处于位置1时，相应的等效电路如图3所示，电感电压为：vL(t)=Vg-v(t) (1)根据小扰动近似：vL(t)Vg-V (2)类似地，当开关处于位置2时，对应的等效电路是图4，并且电感器电压是：vLt=-vt (3)根据小扰动近似：根据上述分析，当开关器件位于位置1时，电感器的电压值为恒定Vg-V，当开关器件位于位置2时，电感器的电压值为恒定-V。因此，降压电路的稳态电感电压波形如下图5所示：图5降压电路的稳态电感电压波形根据电感的伏秒平衡原理，可以得到以下结果：Vg-VDTs -V1-DTs=0 (5)替换参数给出：占空比D=0.2。根据电感公式：vLt=LdiL(t)dt (6)当电路接通时，有：diL(t)dt=vL(t)L=Vg-VL (7)相应的关机是：diL(t)dt=vL(t)L=-VL (8)根据等式7和8，结合几何知识，电流的峰峰值可以推导如下：2iL=Vg-VLDtS(9)其中IL指干扰电流，即：iL=Vg-V2LDTs (10)一般来说，满负荷时，干扰电流IL的值为输出平均电流I的10%20%，干扰电流IL的值需要尽可能小。我在这个设计中被选中了。根据等式8，可以得出结论：路易威登-V2有限公司代入这些参数，可以得到电感L66.68uH。电感值可选择为L=300uH。由于电容电压的扰动来源于电感电流的扰动，不可忽略，小扰动近似原理不再适用于该Buck电路，否则输出电压扰动值为零，滤波器电容值无法计算。电容电压的变化与电容电流波形正半部分的总电荷量Q有关，可根据量公式Q=CV得到：q=C(2v)(12)电容器上的电量等于两个过零点之间的电流波形的积分(电流等于电量的变化率)。在修改电路中，总电量Q可以表示为：q=12，iLDTs，DTs2=，ILDs 4(13)将等式12代入等式13，输出电压的峰值v为：v=ILtS8c(14)将等式10代入等式14可以获得：* v=(1-D)16磅/平方英寸2 (15)根据设计参数，电压纹波设置为2%，即v2% v，可通过代入公式15: C0.167uF获得，因此电容值选择为C=300uF。因此，电路参数为：占空比D=0.2，l=300uhh，C=300uF。3.2交流小信号等效模型的建立根据定义，分别列出了电感电流和电容电压的表达式。在图3相应状态下：VLt=Vgt-V(t)ict=it-VtR (16)在图4相应状态下：VLt=-V(t)ict=it-VtR (17)利用电感和电容的相关知识，我们可以得出以下结论：ts-Tsdt-Tsdt=LDTsdtts-TSr=CDTsdt(18)为了简化：LDTsdt=Tsdt-TSCDTsdt=Ts-TSrts=DTTs(19)在稳态工作点，建立了交流小信号模型。假设输入电压vg(t)和占空比d(t)的低频平均值分别等于它们的稳态值vg和D，加上幅度非常小的交流变量Vg(t)和d(t)，则可以进行替换和简化，以获得：Li(t)dt=DVgt Vgdt-V(t)CdV(t)dt=it-V(t)Rigt=Dit Id(t)(20)根据上述公式，建立交流小信号的等效模型，如图6所示：图6交流小信号等效模型四.控制器设计根据建立的交流小信号等效模型，降压电路包含两个独立的交流输入：控制输入变量d(s)和给定输入变量vg(s)。交流输出电压变量v(s)可以表示为以下两个输入项的叠加，即vs=Gvdsds Gvg(s)vg(s) (21)等式21描述了vg(s)中的扰动如何通过传递函数Gvds传递到输出电压v(s)。控制输入传递函数和给定输入传递函数为：Gvds=v(s)d(s)Vgs=0 Gvgs=v(s)Vg(s)ds=0(22)众所周知，输入输出传递函数Gvgs和控制输入输出传递函数Gvds的标准形式如下：Gvgs=Kg11 sQ0 (s0)2 (23)Gvds=Kd1-sz1 sQ0 (s0)2 (24)比较等式23和24，可以获得：Kg=DKd=VD0=1LCQ=RCL (25)将3.1中计算的参数D=0.2，C=300uF，L=300uH代入公式25，我们可以得到：Kg=0.2 Kd=25 0=3333.3 Q=2.5根据小信号等效模型的方法，建立了可用于buck变换器闭环控制系统的小信号等效模型，如图7所示。图7闭环控制系统的小信号等效模型其中，Ts=GcsGvdsH(s)1VM表示环路增益，H(s)表示反馈增益，VM表示与之比较的三角波峰值，Gc(s)表示控制器增益，Gvds表示降压电路控制输入输出传递函数。将Gvds代入T(s)公式，得出：Ts=Gc(s)H(s)虚拟机VD11 sQ0 (s0)2 (26)根据5V的参数设置电压，如果选择H(s)=1且Gcs=1且虚拟机=4，则未补偿的环路增益为Tu(s)。对应于如图8所示的波特图，等式26可以被重写为：Tus=Tu011 sQ0 (s0)2 (27)DC收益是：Tu0=HVDVM=6.2515.92dB (28)图8未补偿环路增益Tu(s)的幅度角特性未补偿环路增益的交越频率约为770赫兹，相角裕量为26.6774。下面设计了一个补偿器，使得交叉频率为fc=千赫兹，相位角裕度为50。从图8中可以看出，在5kH处未补偿的环路增益的幅度是-30.93分贝。为了使在5kH处的环路增益等于1，在5kH处的补偿器增益应该是30.93分贝。此外，补偿器还应该改善