Buck电路的设计与仿真

uck 电路的设计与仿真

1、Buck 电路设计：

设计一降压变换器，输入电压为 20V ，输出电压5V ，要求纹波电压为输出 电压的0.5%，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz 和50kHz 时所需的 电感、电容。比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。 解：(1)工作频率为10kHz 时，

A.主开关管可使用MOSFET ,开关频率为10kHz ; B 输入20V ，输出5V ，可确定占空比 Dc=25% ; C.根据如下公式选择电感

这个值是电感电流连续与否的临界值，L>L c 则电感电流连续，实际电感值

可选为1.1~1.2倍的临界电感，可选择为4 10»H ；

D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 C=^^T s2

J =4.17 10 牛 8L^U 。

8 沃 4.5 沃 10 X0.0055 1 0000

(2)工作频率为50kHz 时，

A.主开关管可使用MOSFET ,开关频率为50kHz ; B 输入20V ，输出5V ，可确定占空比 Dc=25% ; C.根据如下公式选择电感

.

(1—DJR T (1 —0.25)汇10,.

1

L c

(1 _DJR T

2 s

(1-0.25)1° 亠

2 10000

= 3.75 10* H

5 (1-0.25) 0.75 10, H

50000

这个值是电感电流连续与否的临界值, L>Lc 则电感电流连续，实际电感值

L c T s

2

可选为1.2倍的临界电感，可选择为0.9 10" H ；

D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值

分析：在其他条件不变的情况下，若开关频率提高 n 倍，则电感值减小为 1/n ，电容值也减小到1/n 。从上面推导中也得出这个结论 2、Buck 电路仿真:

利用sim power systems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输 入电压为20V 的直流电压源，开关管选 MOSFET 模块（参数默认），用Pulse Gen erator 模块产生脉冲驱动开关管

建模:

分别做两种开关频率下的仿真

工作频率为10kHz 时

U o (1-D c ) 8L U o

T s 2

5 (1-0.25)

1

8 0.9 10J 0.005 5 500002

= 0.833 10*F

matlab20120510 «

(1)使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。

直流电压波形：(稳态直流电压值=4.595V)

直流纹波电压波形:

观察直流电压瞬时值:

输出的稳态直流电压最大值为 4.607V，最小值为 4.585V，所以得到Uo: 0.012V

0.012

俺 0.0026 c 0.005 4.595

符合设计要求

(2) 画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。

电流波形: 输出的电感电流最大值为0.96A ，最小值为0A ，所以得到：i L ： 0.96A 理论计算如下所示：

.Uo

Uo 纹波

T

3 2.5 2

0.5 0 -0.5

1

1.5

2

5

Tine offtet:

T

0 9

0.0

0.6 0.5

0.3

0.2

0.0191

0.0152

0.0193

0.0194

0.01%

0.0197

Tine offset

0.01S5

3

.沉=虫（1—D C）T S54（1一0.25）- 0.9375A L 4"0 10000 仿真结果与理论值基本相同。

（3）修改占空比，观察直流电压值的变化占空比改为50%直流电压波形：（幅值为9.551V）

Uo ： 0.0115V 。

直流电压在趋于稳定前，波动增多。同时，在稳定时的纹波减小了 ⑷将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型：记录电感电流波形，观察不 连续电流的波形；记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，与理论公式对比, 并与同一占空比下电流连续时的直流电压值进行比较；计算稳态直流纹波电压,

并与理论公式比较（需根据电流波形计算 D2的大小）

Uo Uo

0.0115 9.551

0.0012 < 0.005

输出的稳态直流电压最大值为

9.5657V ，最小值为 9.5502V ，所以得到

电感电流波形:

电流断续波形:

电流连续波形:

电压波形：（稳态电压值=6.264V ）

输出的稳态直流电压最大值为

6.288V ，最小值为 6.231V ，所以得到

.Uo ： 0.057V 。

纹波增大。大于设计要求 D2计算：

电流连续：= D 1

V in

所以：

D2=Vin-Vout D1=20-6.264 *4.595 =0504，电感变为原来一半。占 V out 6.264 20

空比变为原来的两倍

工作频率为50kHz 时

1）使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳

态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标 直流电压波形：（稳态直流电压值=4.605V ）

■ Uo

Uo

0.057 6.264

0.0091 0.005

电流断续:

V out _ D !

V

in

D

1 D 2