BuckDC_DC变换器输出电压纹波的仿真研究
Buck-Boost电路建模及分析
题目：Buck-Boost电路建模及分析摘要：作为研究开关电源的基础，DC-DC开关变换器的建模分析对优化开关电源的性能和提高设计效率具有重要意义。
而Buck-Boost电路作为DC-DC开关变换器的其中一种电路拓扑形式，因其输出电压极性与输入电压相反，而幅度既可比输入电压高，也可比输入电压低，且电路结构简单而流行。
为了达到全面而深入的研究效果，本文对Buck-Boost电路进行了稳态分析和小信号分析。
稳态分析中，首先介绍了电路工作原理，得出了两种工作模式下的电压转换关系式，并同时可知基于占空比怎样计算其输出电压以及最小最大电感电流和输出纹波电压计算公式；接着推导了状态空间模型，以在MATLAB中进行仿真；而最后仿真得到的电感电流、输出电压的变化规律符合理论分析。
小信号分析中，首先推导了输出与输入间的传递函数表达式，以了解低频交流小信号分量在电路中的传递过程；接着分析其零极点，且仿真绘制波特图进行了验证。
经过推导与研究，稳态分析和小信号分析下仿真得到的变化规律均与理论上的推导一致。
关键词：Buck-Boost；稳态分析；小信号分析；MATLAB仿真1.概论现代开关电源有两种：直流开关电源、交流开关电源。
本课题主要介绍直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源，如市电电源或蓄电池电源，转换为满足设备要求的质量较高的直流电源，即将“粗电”转换为“精电”。
直流开关电源的核心是DC-DC变换器。
作为研究开关电源的基础，DC-DC开关变换器的建模分析对开关电源的分析和设计具有重要意义。
DC-DC开关变换器最常见的三种电路拓扑形式为：降压(Buck)、升压(Boost)和降压-升压(Buck-Boost) [1]，如图1-1所示。
其中Buck-Boost变换器因其输出电压极性与输入电压相反，而幅度既可比输入电压高，也可比输入电压低，且电路结构简单而流行。
(a) Buck型电路结构(b) Boost型电路结构(c) Buck-Boost型电路结构图1-1 DC-DC变换器的三种电路结构本课题针对Buck-Boost变换器的建模分析进行深入研究，以优化开关电源的性能和提高设计效率。
BUCK_BOOST仿真分析报告
BUCK-BOOST转换器仿真分析摘要：本课题利用电感电压平均近似和电容电流平均近似的方法，建立连续模式(CCM)下电压控制型BUCK/BOOST结构DC/DC转换器的线性模型，实现非线性向线性模型的转化，得到由控制到输出的传递函数；在此基础上利用Matlab工具对不同补偿网路的频域特性进行仿真，并对仿真结果进行分析。
关键词：BUCK/BOOST ；DC/DC转换器；MATLAB仿真；频域特性BUCK-BOOST CONVERTER SIMULATION ANALYSISAbstract: This project uses the inductor voltage and capacitor current average approximate average approximation method, build a continuous mode (CCM), under voltage-controlled BUCK / BOOST structure DC / DC converter linear model, to achieve non-linear transformation to the linear model obtained from the control to output transfer function; on the basis of compensation for the use of Matlab tools for different networks frequency domain simulation, and analysis of simulation results.Keywords: BUCK / BOOST; DC / DC converter; MATLAB simulation; frequency domain中图分类号：TM712 文献标识：B 文章编号：0 引言开关电源转换器是现代电路理论的重要研究对象。
BUCK变换器的建模和仿真研究
量较多的非线性代数方程 ，因而 极大地减 少了计算量直
效，并且反映 了纹波的特 性。 龙格库塔法和等效小参量法得 到的纹波比较如图 ３崩
（－ ｏ２ ｒｔ１ ｔ， ｒ ｏ ２ Ｔ。将 代入式可 以得 １ ｃｓ Ｄ ｆ ｍ ｔ ＝ Ｘ＝ ｍ／ ａ） ＂
到ｆ的表 达式：
＝ ＋Ｒ ＝ ＋ ＋ 。 （ ） ９
图 １ Ｂｃ Ｃ Ｄ ｕ ｋ Ｄ — Ｃ变换 器 工作 过 程
开为 ：
（ ）Ｂ ｃ 三 ｕ ｋ变换 器 的建 模和 设计 方 法
１ 状 态 空 间平 均 法 ． 对 于 图 １电路 ，取 电 感 电流 ｉ ，电容 电压 为 Ｖ该变 换 器 的
： ＋ 如
（） ５
其 中Ｘ 为主分量 ， 为第 ｆ ｏ 阶分量 ，ｏ 为小量标 记， ｃ ． 本文 中 状态变量 ， ：‘ 】，系统输 出的 电压为 “ 【 。。设系统 的输 入
图 ３ 等 效 小参 量法 与 龙 格库 塔 纹 渡 比较
Ｇ（）２ （） 一 ＰＲ ｌ ｘ＋ ｐ Ａ ＝ （）２ ｐ
… …
（ ）结 论 四
由上面 的分析和仿真过程可 以得到 ：状态空间平均法
（ ０） １
电 路 的 各 个 参 数 ： ｆ： ０Ｈ ５ｋ ｚ， Ｒ： Ｏ ， Ｌ １０ ， ｌＱ ： ５ ４７ ， ＝０ ，求解 微分 方 程 （ ）可 以得 到 ：Ｈ ． ． ， ｕ
质 是 时 问 平 均 ， 结 果 就 把 纹 波 的信 息 平 均 掉 了， 所 以它 无 法
［ ５ 】林 波 涛， 丘水 生 ． 于 瞬 态分析 的等 效 小参 量 法及 其 适 Ｐ ＷＭ 开 关 变 换 器 中 的 应 用 Ｕ． 子 科 学 学 刊 】电
毕业设计基于Buck结构的DCDC转换器建模与仿真设计
目录摘要 (1)Abstract (2)1 绪论 (3)1.1电力电子技术的概述 (3)1.2开关电源的研究现状和发展趋势 (3)1.3 Buck斩波电路的研究意义 (5)1.4 论文的主要研究容 (6)2 Buck斩波电路的原理 (7)2.1 Buck变换器的连续导电模式 (8)2.2 Buck变换器电感电流不连续的导电模式 (10)2.3 电感电流连续的临界条件 (11)2.4 纹波电压ΔU O及电容计算 (12)2.5参数的计算 (12)3 Buck斩波电路的建模 (14)3.1开关电路的建模 (14)3.1.1理想开关模型 (14)3.1.2状态空间平均模型 (15)3.1.3小信号模型 (17)3.2系统的传递函数 (18)3.2.1降压斩波电路的传递函数 (18)3.2.2 PWM比较器的比较函数 (20)3.2.3调节器的传递函数 (21)4 控制电路的设计 (22)4.1电压模式控制电路的设计 (22)4.1.1电压调节器的结构形式 (22)4.1.2电压调节器的参数 (23)4. 2 控制电路结构 (24)5 Buck斩波电路的控制仿真研究 (25)5.1 Matlab简介 (25)5.2 Buck斩波电路主电路的仿真 (25)5.3 Buck斩波电路的PID控制算法的仿真 (27)6全文总结及展望 (30)参考文献 (31)附录1：主电路仿真模型 (32)附录2：主电路仿真波形图 (33)附录3：PID仿真图 (34)致 (35)摘要随着电子产品与人们工作和生活的关系日益密切，便携式和待机时间长的电子产品越来越受到人们的青睐，它们对电源的要求也越来越高。
DC-DC开关电源芯片是一种正在快速发展的功率集成电路，具有集度高，综合性能好等特点，具有很好的市场前景和研究价值。
论文在研究开关电源技术发展现状和前景的基础上，设计一种Buck型DC-DC 开关电源的设计。
首先对主电路的工作原理和系统构成进行了研究和分析，包括工作过程中各个元器件的工作状态和工作特点。
BUCK电路的PID控制设计及仿真
BUCK电路的PID控制设计一、实验目的DC/DC 变换器可将不可控的直流输入变为可控的直流输出，广泛应用于可调直流开关电源及直流电机驱动中. Buck 变换器是DC/DC 变换器中最具代表性的拓扑结构之一.在工程实际中， Buck变换器的控制方式可以开环和闭环来实现。
其中闭环控制方式又可分为PI校正，PID控制，fuzzy控制等方式。
本文首先会建立Buck 变换器的模型，然后会分别进行开环、PI控制器校正，PID控制器校正，并在MATLAB/SIMULINK上进行仿真，最后对得出的结果进行比较。
二、设计内容及要求U)：24V（ 20%）1、输入电压(iU)：12V（1%稳定度）2、输出电压(oI)：1A3、额定电流(oV≤70mV4、输出电压纹波峰-峰值ppV≤150mV 6、开关5、满载与半载之间的切换时，输出电压纹波峰-峰值pp频率(f)：无要求，本设计设定为20kHz三、Buck 主拓扑电路3.1开环Buck 电路图图（1）开环Buck 电路3.2 参数计算与选择（1）占空比 50%o i U D U == （2）滤波电感滤波电感的选择与负载电流的变化范围及希望的工作状态有关，假设电路要求工作在电感电流连续工作状态，则临界电感(1)2f o s oD U L I -= 根据公式代入计算可得：-4s (1)(10.5)*12 1.5*102f 2*20000o o U D L H I --===此时L 值为电感电流连续与否的临界值，实际电感值可选为（2～3）倍的临 界电感。
这里L 取4*104H 。
（3）滤波电容 电容的容量，会影响输出纹波电压和超调量的大小。
在开关关断时为负载供电和减小输出电压的纹波，滤波电容C 的选择直接关系开关稳压电源输出中纹波电压分量o U 大小。
滤波电容C2(1)8o o U D C U Lf-= 根据纹波要求代入计算-42-442(1)12*0.5==1.79*1088*0.07*1.5*10*(2*10)o o U D C U Lf -= F 这里电容C 取7.5*104F 。
【毕业设计】基于Buck结构的DCDC转换器建模与仿真
【毕业设计】基于Buck结构的DCDC转换器建模与仿真目录摘要 (1)Abstract (2)1 绪论 (3)1.1电力电子技术的概述 (3)1.2开关电源的研究现状和发展趋势 (4)1.3 Buck斩波电路的研究意义 (6)1.4 论文的主要研究内容 (6)2 Buck斩波电路的原理 (8)2.1 Buck变换器的连续导电模式 (9)2.2 Buck变换器电感电流不连续的导电模式 (12)2.3 电感电流连续的临界条件 (13)2.4 纹波电压ΔU O及电容计算142.5参数的计算 (14)3 Buck斩波电路的建模 (17)3.1开关电路的建模 (17)3.1.1理想开关模型 (17)3.1.2状态空间平均模型 (19)3.1.3小信号模型 (20)3.2系统的传递函数 (22)3.2.1降压斩波电路的传递函数 (22)3.2.2 PWM比较器的比较函数 (24)3.2.3调节器的传递函数 (25)4 控制电路的设计 (27)4.1电压模式控制电路的设计 (27)4.1.1电压调节器的结构形式 (27)4.1.2电压调节器的参数 (28)4. 2 控制电路结构 (29)5 Buck斩波电路的控制仿真研究 (30)5.1 Matlab简介 (30)5.2 Buck斩波电路主电路的仿真 (30)5.3 Buck斩波电路的PID控制算法的仿真 (32)6全文总结及展望 (35)参考文献 (36)附录1：主电路仿真模型 (37)附录2：主电路仿真波形图 (39)附录3：PID仿真图 (40)致谢 (41)摘要随着电子产品与人们工作和生活的关系日益密切，便携式和待机时间长的电子产品越来越受到人们的青睐，它们对电源的要求也越来越高。
DC-DC开关电源芯片是一种正在快速发展的功率集成电路，具有集度高，综合性能好等特点，具有很好的市场前景和研究价值。
论文在研究开关电源技术发展现状和前景的基础上，设计一种Buck型DC-DC开关电源的设计。
Buck电路的闭环设计及仿真分析
Buck电路的闭环设计及仿真分析一、本文概述随着电力电子技术的飞速发展，电源转换技术已成为现代电子设备不可或缺的一部分。
其中，Buck电路作为一种基本的直流-直流（DC-DC）转换器，因其结构简单、效率高、调节范围宽等优点，在电子设备中得到了广泛应用。
然而，为了确保Buck电路在各种环境和负载条件下的稳定性和高效性，闭环设计显得尤为重要。
本文旨在探讨Buck电路的闭环设计方法，并通过仿真分析验证设计的有效性。
文章首先简要介绍了Buck电路的基本原理和应用背景，然后重点阐述了闭环设计的重要性及常用方法。
在闭环设计部分，文章详细分析了反馈网络的选取、控制策略的制定以及功率级和控制级的协同工作等问题。
同时，结合具体的设计实例，阐述了闭环设计在实际应用中的具体实现过程。
为了验证设计的有效性，文章采用了仿真分析的方法。
通过搭建基于MATLAB/Simulink的仿真模型，对设计的Buck闭环电路进行了全面的仿真分析。
仿真结果证明了闭环设计的有效性，同时也为实际电路的制作和调试提供了重要参考。
文章对闭环设计的Buck电路进行了总结，并指出了未来研究方向和潜在的应用前景。
通过本文的研究，旨在为从事电源转换技术研究和应用的工程师和学者提供有益的参考和启示。
二、Buck电路的基本原理Buck电路，也称为降压转换器，是一种基本的直流-直流（DC-DC）转换电路，其主要功能是将较高的直流电压降低到所需的较低直流电压。
其名称来源于电路中开关元件（如MOSFET或晶体管）的操作，类似于"bucking"（减少或抑制）输入电压。
Buck电路的基本构成包括一个开关（通常是MOSFET），一个电感（或称为线圈），一个二极管（也称为整流器或续流二极管），以及一个输出电容器。
在开关打开时，电流通过电感从输入源流向输出，此时电感储存能量。
当开关关闭时，电感释放其储存的能量，通过二极管向输出电容器和负载供电。
Buck电路的工作原理基于电感的电压-电流关系。
Buck电路的设计与仿真(开环设计与仿真)2014
• 网络资源
– 使用方法介绍
41
小结||3-6||
• 掌握DC-DC电路参数设计方法； • 掌握用SaberSketch输入电路原理图的方法、 掌握瞬态仿真的基本参数设置方法、掌握 查看波形方法； • 借助仿真软件深入理解Buck电路工作原理。 • 作业： • 1：完成单端正激电路设计报告（含所有主 电路参数设计，需要查阅相关手册，选取 所有元器件） ； • saber0307@；Password:0307123456
42
作业内容
• 1：单端正激电路设计报告（含变压器与电 感器的设计）；
– 主电路设计（变压器、开关管、二极管、滤波 电感、滤波电容）； – 仿真分析（1，采用理想元器件分析性能指标的 满足情况；2，评估所选元器件的合理性；3， 理想元器件与实际元器件模型带来的性能指标 差异性分析）
四．闭环仿真；
五．元件级仿真。
32
开环仿真（瞬态）、分析与模型完善
（1）原理图编辑
（2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型完善
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（4）模型完善
滤波电感——串联电阻线路压降；（实 际设计<需要查磁芯手册>） II. 滤波电容—串联电阻 输出电压纹波； III. 线路寄生参数及其影响 I.
13
（1）原理图编辑
Switch, Power semiconductor Inductor Logic Clock Diode, ideal Resistor Capacitor
Voltage source, constant ideal DC supply
Ground, (Saber node 0)
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（4）模型细化（完善）
① 开关管——应力计算、选取及实际器件选取；
实用_Buck_变换仿真实验报告
DCDC变换仿真实验－实用Buck 变换仿真实验原理电路实验内容：1、依照原理电路搭建仿真模型。
VT 采用场效应管。
选择开关频率为50Hz，输入直流电压200V，电感0.2mH,电容100uF,负载基本电阻20 欧姆，加载并联电阻2 欧姆。
根据原理框图构建Matlab仿真模型。
所需元件参考下表：仿真元件库：Simulink Library Browser示波器Simulink/sink/Scope要观察到整个仿真时间段的结果波形必须取消对输出数据的5000 点限制。
要观察波形的FFT结果时，使能保存数据到工作站。
仿真结束后即可点击仿真模型左上方powergui打开FFT窗口，设定相关参数：开始时间、分析波形的周期数、基波频率、最大频率等后，点Display 即可看到结果。
直流电源SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Source设定电压。
场效应管SimPowerSystems/Power Electronics/Mosfet取消检测输出口调制波（三角波）发生器Simulink/Sources/Repeating Sequence设定为50kHz，Time values=[0 5e-6 10e-6 15e-6 20e-6] , Output values=[0 1 0 -1 0] 常数Simulink/Sources/Constant设定范围可在（－1，1）区间变化，初始设定值＝－0.5 ，对应占空比0.25加法器Simulink/Math/add 设定为-+。
过零比较器Simulink/Logic and Bit operations/Compare To Zero电阻、电容、电感SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch设定参数负载切换开关SimPowerSystems/Elements/Breaker设定动作时间增益Simulink/Math Operations/Gain显示Simulink/sinks/Display电压检测SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement电流检测SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement平均值SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Measurements/Mean value仿真设定：Configuration Parameters/Solver optionsType Variable-step Solver Ode23sMax step size 1e-6 Relative tolerance 1e-5，其它不变仿真时间0.1 秒。
脉冲序列控制DCM Buck变换器输出电压纹波研究
Ａｂｔａ ｔＦ ｒ ｈ ｒｅｏ ｔｕ ｏ ａｅｒ ｐｅｃｕｅ ｙｔｅｎｎｉｅｒｃａａｔｒ ｔ ｓｏ ｕ ｅｔ ｉ（ Ｔ） ｓｒｃ ：ｏ ｅｌ ｇ ｕｐ ｔ ｌ ｇ ｐ ｌ ａｓｄｂ ｈ ｏｌ ａ ｈ ｒｃ ｉ ｉ ｆ ｌ ｒ ｎ Ｐ ｔ ａ ｖｔ ｉ ｎ ｅ ｓｃ ，ａ ｎ ｖ ｌｎ ｎ ｌｎ ａ ｏ ｔｏ ｔ ｏ ｏ ｔｏ ＤＣ ｃ ｎ ｅ ｒ ｏ ｅ ｏ —ｉ ｅ ｒ ｃ ｎ ｒ ｌｍｅｈ ｄ，ｌｌ ｏ ｔｏ ｅ ｈ ｑ Ｙ＂ｃ ｎ ｒ ｌｔ ｃ ｎｉｕｅ，ｉ ｎ ｅ ｔｇ ｔｄ．Ｐ ｓｉ ｖ ｓｉａ ｅ Ｔ
Ｘ ｉ —ｉｇ ＭＵ Ｑｎ—ｏ ＷＡ Ｇ Ｊ —ｉｇ ＱＮ Ｍｉｇ Ｕ Ｊ ｎｐｎ ， ａ ｉｇｂ ， Ｎ ｉ ｐｎ ， Ｉ ｎ ｎ
（ ｏｌ ｅｏ ｌ ｔｃｌ ｎ ｉ ｅｉｇ Ｓ ｕ ｗ ｓ Ｊ ｏ ｎ ｎｖｒ ｔ，Ｃ ｅｇ ｕ６０ ３ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｅ ｒ ａ Ｅ ｇ ｅｒ ， ｏｔ ｅｔ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｓｙ ｈｎｄ １０ １ ｈｎ ） ｅ Ｅ ｃｉ ｎ ｎ ｈ ａｏ ｅｉ
许建平 ， 牟清波 ， 王金平 ， 秦 明
（ 南 交 通 大 学 电气 Ｔ 程 学 院 ，四川 成 都 ６０ ３ ） 西 １０ １
摘
要 ： 对脉 冲序 列控制 开 关 Ｄ — ｃ变换 器的 非线性 控制 特 性 导致输 出 电压纹 波较 大 ， 究脉 针 ＣＤ 研
冲序 列控 制 方法 ， 并对 工作 于 电感 电流断 续模 式的脉 冲序 列控 制 Ｂ ｃ ｕ ｋ变换 器进行 分析 。该 方法通 过 调整 两组 预先设 定 的控制 脉 冲的组 合 ， 实现 开 关 变换 器输 出电压的调 整 ， 对其控 制 特性研 究存 针
在 滤 波 电容 等 效 串联 电阻时 变换 器在 不 同工作 状 态 下 的脉 冲序 列 组合 方 式 ， 最后 基 于现有 的纹 波
Buck_Boost变换器的设计及仿真
1 概述直流-直流变流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，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
其中，直接直流变流电路又叫斩波电路，它包括降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper)、升降压斩波电路（Buck/Boost）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路共六种基本斩波电路。
Buck/Boost升降压斩波电路同时具有Buck斩波电路和Boost斩波电路的特点，能对直流电直接进行降压或者升压变换，应用广泛。
本文将对Buck/Boost升降压斩波电路进行详细的分析。
RVDRVDRVD2 主电路拓扑和控制方式Buck/Boost 主电路的构成Buck/Boost 变换器的主电路与Buck 或Boost 变换器所用元器件相同，也由开关管、二极管、电感、电容等构成，如图1所示。
与Buck 和Boost 不同的是电感L 在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压极性相反。
开关管也采用PWM 控制方式。
Buck/Boost 变换器也由电感电流连续和断续两种工作方式，但在实际应用中，往往要求电流不断续，即电流连续，当电路中电感值足够大时，就能使得电路工作在电流连续的状态下。
因此为了分析方便，现假设电感足够大，则在一个周期内电流连续。
图2-1 Buck/Boost 主电路结构图电流连续时有两个开关模态，即V 导通时的模态1，等效电路见图2（a ）；V 关断时的模态2，等效电路见图2（b ）。
（a ）V 导通（b）V关断，VD续流图2-2 Buck/Boost不同模态等效电路ttttt电感电流连续时的工作原理及基本关系电感电流连续工作时的工作主要波形见图2-3。
图2-3电感电流连续时的主要波形为了方便分析，假设电感、电容的值足够大，并且忽略电感的寄生电容。
电感电流连续工作时，Buck/Boost 变换器有V 导通和V 关断两种工作模态。
BuckDC_DC变换器输出电压纹波的仿真研究
Buck DC /DC 变换器输出电压纹波的仿真研究肖永军,周传璘,曾庆栋(孝感学院物理与电子信息工程学院,湖北孝感 432000)摘 要:在Buck DC/DC 变换器的分析与设计中,对开关工作时所形成的电压纹波的分析是至关重要的。
为分析其输出电压纹波特性,讨论了Buck DC/D C 变换器工作模式,以此为基础,建立了Buck DC/DC 变换器的PSpice 仿真模型,对工作在非连续电流模式(DCM )下的影响Buck 变换器的输出电压纹波的有关因素进行了参数扫描分析。
结果表明,输出电容对电压纹波影响较大,输入电压、负载、开关频率等的变化对电压纹波影响相对较小。
该结论为Buck DC/DC 变换器的设计和实现提供了一定的理论基础。
关键词:Buck 变换器;输出电压纹波;PSpice 仿真模型中图分类号:T P17;T P391.9 文献标识码:B 文章编号:1002 4956(2009)02 0087 03Simulation of output voltage ripple for Buck DC/DC converterXiao Yongjun,Zho u Chuanlin,Zeng Qingdong(Scho ol o f Phy sics and Elect ronic Infor matio n Engineer ing,Xiaog an U niversity,Xiaog an 432000,China)Abstract:In the co ur se of desig n and analy sis fo r Buck DC/DC converter ,it is ver y impor tant to analize the output vo ltag e ripple fo rmed in operat ing.Based on the analysis fo r mode of the Buck DC/DC conver ter,the simulatio n model o f P spice for t he Buck DC/DC conver ter is co nstr ucted.A nd the parameter analysis for asso ciated factor s w hich affect the o utput v oltage ripple for Buck conv er ter in discontinuous conductio n mode (DCM )is ca rr ied o ut.T he r esult show s that output v oltage ripple is gr eatly influenced by output capacitance,but comparatively affected less by input vo ltag e,load,sw itch f requency ,etc.T hese conclusions can affo rd so me supplies for desig n and realizat ion of Buck DC/DC conver ter.Key words:Buck conver ter;output vo ltag e ripple;simulation model for PSpice收稿日期:2008 03 20作者简介:肖永军(1982 ),男,河南省信阳市人,硕士,研究方向为电源技术、人工智能等.开关电源因具有体积小、重量轻、功耗低、输出功率大等优点广泛应用于计算机、通信、航天等领域。
多相交错并联BUCK型DC-DC变换器分析与设计
than 1.3%. When the load current is greater than 2A, the current imbalance of each
method, including parameter calculation of input and output capacitors and energy
storage inductor.
Compared with the single-phase converter, the control strategy of the multi-phase
automatic current sharing method, external controller method, etc. need to add
additional circuits, which increases circuit complexity. In this thesis, the average current
换器扰动信号进行分析，提出了基于数字 PID 控制多相交错并联拓扑结构多环
控制策略。以三相交错并联 BUCK 型 DC-DC 变换器为例，通过 Matlab/Simulink
对该方案进行了仿真验证，仿真结果表明，采用该控制策略的三相交错并联
BUCK 型 DC-DC 变换器具有输出纹波低，带载能力强，各相电流均衡度、系统
of the drive signal. Affected by the manufacturing process, the actual parameters of the
BuckDC_DC变换器的输出纹波电压分析及其应用_刘树林
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.22 No.2 Feb. 2007
Buck DC/DC 变换器的输出纹波电压 分析及其应用
刘树林 刘 健 寇 蕾 钟久明
（西安科技大学电气与控制工程学院 西安 710054）
4 最大输出纹波电压
根据电感取值的不同，在整个动态工作范围内， Buck 变换器存在四个不同的工作区域，下面对各工 作区域的最大输出纹波电压分别进行分析。 4.1 L＞LCC 时的最大输出纹波电压
当电感 L＞LCC 时，变换器在整个动态工作范围 均工作在 CCM，对应图 2 中曲线 LC1 的情形。由式 （5）可得，最大输出纹波电压为
Buck DC/DC 变换器的组成如图 1 所示。
感 L＜LC 时，变换器工作在 DCM。设输入电压范围 为[Vi, min，Vi, max]，负载电阻范围为[RL, min，RL, max]， 则在 RL−Vi 平面上，变换器的整个动态工作范围对 应一个矩形，如图 2 所示。根据式（1）可画出不同 LC 对应的曲线。
93
压波形如图 3 所示。
= Vi[dRL (Vi −Vo ) − LfVo ]2 2LCf 2 RL2Vo (Vi −Vo )
根据文献[13]，在 DCM 模式下，有
（15）
d=
2LfVo2
RLVi (Vi −Vo )
将式（16）代入式（15）得
（16）
图 3 DCM Buck 变换器电感电流和输出电压波形
图 2 在 RL-Vi 平面上展示 CCM/DCM 分界 Fig.2 CCM and DCM region on RL-Vi plane
Buck变换器的设计与仿真
S a b e r仿真作业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............................................................................. - 3 -1.3 Buck变化器外特性......................................................................................... - 4 -2 Buck变换器参数设计............................................................................................... - 6 -2.1 Buck变换器性能指标..................................................................................... - 6 -2.2 Buck变换器主电路设计................................................................................. - 6 -2.2.1 占空比D ................................................................................................. - 6 -2.2.2 滤波电感Lf ............................................................................................ - 7 -2.2.3 滤波电容Cf ............................................................................................ - 9 -2.2.4 开关管Q的选取 ................................................................................ - 10 -2.2.5 续流二极管D的选取........................................................................ - 10 -3 Buck变换器开环仿真............................................................................................ - 10 -3.1 Buck变换器仿真参数与指标...................................................................... - 10 -3.2 Buck变换器开环仿真结果与分析............................................................. - 10 -4 Buck变换器闭环控制的参数设计 ....................................................................... - 12 -4.1 闭环控制原理................................................................................................ - 12 -4.2 Buck变换器的闭环电路参数设计............................................................. - 13 -4.2.1 Gvd(s)的传递函数分析...................................................................... - 13 -4.2.2 补偿环节Gc(s)的设计....................................................................... - 15 -4.2.3 补偿环节参数设计 ............................................................................. - 18 -5 Buck变换器闭环仿真............................................................................................ - 23 -5.1 Buck变换器闭环仿真参数与指标............................................................. - 23 -5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图............................................................. - 24 -5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析......................................................... - 24 -6 总结........................................................................................................................... - 27 -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。
DC-DC升降压(Buck-Boost)变换器设计与仿真分析
器 电路进行 数值计算 的方式 ， 选取多组 占空比进 行仿 真 ， 这样既可 以筛选出各个 电压等级下 的合 理 占空 比取值 ， 又能够得到系统的输 出电压变化
规律 ， 以判 定 系 统 的 电能 变 化性 能 。如 果 仿 真 结
要去除 ， 在元件库中按照拓扑结构建立电路模型 ，
作者简 介： 李钦林 （ １ ９ ８ ６ 一） ， 男， 助教 ， 硕士， 主要从 事电气 自动化方面 的教学工作 。
第３ 期
李钦林 ： Ｄ Ｃ － Ｄ Ｃ 升降压 （ Ｂ ｕ ｃ ｋ — Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ ） 变换器设计与仿真分析
６ ５Байду номын сангаас
器系统 中 ， 筛选 了 １ ８ ％、 ３ ３ ％、 ６ １ ％、 ６ ６ ％４ 个 占空 比参数 ， 并分别对 其进行输 出电压特性仿 真。从数值计算结果 来看 ， 这４ 个 占空 比条件下 ， 输 出电压基本 能够达到预期 的调压等级 ， 且输 出电压的分布特性 良好 。针对纹波 电压偏 大的问题 ， 提出 了后 续改造措施 。为该变换器 后续的制作和应用提供 了参 考依 据。
在 数 学 模 型 的建 立 中 ， 无 源开 关 和 有 源 开 关 均需
为理想化 （ 如降低导通压降等） ， 也能够实现仿真
结 果 较 为理 想 的 目标 。但如 此设 置 明 显与 实 际情 况不符 ， 容易 造成 后 续实 物 生产 出来 后 ， 仿 真 和实 际数 据 的较 大误 差 。 因此 ， 本 文在 仿 真条 件 的设 置 中， 将 电感 和 电容 设置 为 固定 值 ， 二极 管模 块 保 持 默认 值 。在 开关 频 率确 定 的条 件 下 ， 仅 调 整 脉
开关电源Boost变换器输出纹波的仿真研究
Δ iL =
-
∫
ton
U 0 + U D - U in U 0 + U D - U in dt = T off L L ( 2)
+ Δ ∵ iL = Δ iL
∴
U in - U sat U o + U D - U in t on = t off L L
( 3)
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2010 年 5 月 25 日第 27 卷第 3 期
Analysis of Outp ut Voltage Ripple fo r Boo st Converter in Switching Mode Power Supply
XU Chen ,W EI Zhe , YE Liang ( Wuhan U niversity of Technology ,Wuhan 430070 ,China) Abst ract : On t he basis of analysis of typical DC - DC co nversio n topological st ruct ures , a simulation model of boo st DC - DC co nverter in PSpice was built . After scanning and analyzing t he parameters of outp ut ripple voltage of boo st con2 verter. The result s shows t hat inp ut voltage , inductance and load resistance give different effect s on outp ut ripple voltage in t he t hree kinds of wo rking styles. The conclusion p rovides a certain t heoretical basis to design and build t he boo st DC - DC co nverter. Key wo rds : boo st converter ;topology st ruct ures ;o utp ut ripple voltage ; simulation model fo r Pspice.
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Buck DC /DC 变换器输出电压纹波的仿真研究肖永军,周传璘,曾庆栋(孝感学院物理与电子信息工程学院,湖北孝感 432000)摘 要:在Buck DC/DC 变换器的分析与设计中,对开关工作时所形成的电压纹波的分析是至关重要的。
为分析其输出电压纹波特性,讨论了Buck DC/D C 变换器工作模式,以此为基础,建立了Buck DC/DC 变换器的PSpice 仿真模型,对工作在非连续电流模式(DCM )下的影响Buck 变换器的输出电压纹波的有关因素进行了参数扫描分析。
结果表明,输出电容对电压纹波影响较大,输入电压、负载、开关频率等的变化对电压纹波影响相对较小。
该结论为Buck DC/DC 变换器的设计和实现提供了一定的理论基础。
关键词:Buck 变换器;输出电压纹波;PSpice 仿真模型中图分类号:T P17;T P391.9 文献标识码:B 文章编号:1002 4956(2009)02 0087 03Simulation of output voltage ripple for Buck DC/DC converterXiao Yongjun,Zho u Chuanlin,Zeng Qingdong(Scho ol o f Phy sics and Elect ronic Infor matio n Engineer ing,Xiaog an U niversity,Xiaog an 432000,China)Abstract:In the co ur se of desig n and analy sis fo r Buck DC/DC converter ,it is ver y impor tant to analize the output vo ltag e ripple fo rmed in operat ing.Based on the analysis fo r mode of the Buck DC/DC conver ter,the simulatio n model o f P spice for t he Buck DC/DC conver ter is co nstr ucted.A nd the parameter analysis for asso ciated factor s w hich affect the o utput v oltage ripple for Buck conv er ter in discontinuous conductio n mode (DCM )is ca rr ied o ut.T he r esult show s that output v oltage ripple is gr eatly influenced by output capacitance,but comparatively affected less by input vo ltag e,load,sw itch f requency ,etc.T hese conclusions can affo rd so me supplies for desig n and realizat ion of Buck DC/DC conver ter.Key words:Buck conver ter;output vo ltag e ripple;simulation model for PSpice收稿日期:2008 03 20作者简介:肖永军(1982 ),男,河南省信阳市人,硕士,研究方向为电源技术、人工智能等.开关电源因具有体积小、重量轻、功耗低、输出功率大等优点广泛应用于计算机、通信、航天等领域。
由于在开关电源线路中存在开关元件的导通和截止、感性元件的储能和释能,以及容性元件的充放电等因素,会产生较大的电压纹波,电压纹波的干扰会形成成分更加复杂的谐波,并耦合到输出端,使系统出现较大的噪声[1 3]。
因此,工程人员在设计开关电源时,为确保设计的可靠性,必须确定电压纹波产生的原因,以便对其进行有效抑制。
鉴于目前国内外对Buck DC/DC 变换器输出电压纹波影响因素的研究成果报道较少[4 7],笔者在讨论Buck DC/DC 变换器的工作模式的基础上,采用PSpice 软件对影响输出电压纹波的有关因素进行了仿真分析,为Buck 变换器的设计和实现及外围核心元件参数的选择提供一定的依据。
1 开关电源的工作状态B uc k DC/DC 变换器的组成如图1所示。
图中,S 为功率晶体管的简化模型,VD 为续流二极管,L 为储能电感,C 为输出电容,R L 为负载电阻,V i 为输入直流电源。
图1 Buck 变换器电路结构根据电感取值的不同,Buck 电路的工作模式分为电感电流连续工作模式(CCM)和电感电流断续工作模式(DCM),其工作在CCM 与DCM 的临界电感L C 为[2,4]L C =R L 2f 1-V oV i ,(1)式(1)中f 为开关频率。
ISS N 1002-4956CN11-2034/T实 验 技 术 与 管 理Ex perim ental Technology and M anagem ent第26卷 第2期 2009年2月Vol.26 No.2 Feb.20092 Buck 变换器仿真分析2.1 PSpice 模型Or CAD9.2软件中PSpice 是一种功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真软件,具有强大的图形功能,可以对多种电路进行仿真并能得到精确的仿真结果[8]。
笔者基于Or CAD9.2软件对Buck DC/DC 变换器建模,模型如图2所示,其中采用N 沟道M OS 管IRF150作为开关管,采用一个工作频率为40kH z 、占空比为40%的脉冲源V 2控制MOS 管的通断来代替图1中的开关S 的闭合,R 2为M OS 管栅极限流电阻,D1采用D1N4148,忽略直流源内阻,其他部分与图1相对应。
图2 Buck 变换器的PSpice 模型2.2 模型的验证及仿真设置为验证所建模型的正确性,笔者对建立的模型(见图2)进行了瞬态分析,结果如图3所示(图中t 为时间)。
从图3可以发现,输出电压V ou t 在2m s 左右即可达到稳定状态,输出为1.85V ,基本上起到了降压的目的。
下述仿真中参数的默认设置:V i 为15V ,L C 取100 H ,C 1为100 F,负载电阻为100 ,工作频率为40kH z 。
在进行某一参数扫描时,其他参数为默认值。
根据式(1),可知电路工作在非连续电流模式。
仿真时,输出电压在2ms 左右就可以达到稳定状态,因此分析数据的采集时间段为3.9~ 4.1ms ,仿真的波形纵轴统一为电压纹波值,横轴为各影响因素。
2.3 Buck 变换器DC M 模式下的输出电压纹波仿真分析Buck 变换器在非连续电流模式的输出电压纹波为[4]V PP,DCM =V o f CR L +L V o V i2C R 2L (V i -V o )-V of C2Lf V iR 3L (V i -V o).(2) 从式(2)可以看出,影响工作在DCM 模式下的Buck 变换器的输出电压纹波的因素有输入电压、输出图3 Buck 变换器的输出电压波形电容、储能电感,负载及工作频率。
(1)输入电压的影响。
首先分析输入电压的变化对输出电压纹波的影响。
仿真设置输入电压从5~30V 范围内变化,为获得更为精确的仿真结果,步长设置为2V 。
仿真结果如图4所示,在仿真范围内,输入电压的变化对输出纹波影响较小,输出纹波基本上在3.6mV 以内;在设置的仿真范围内没有发现输出纹波随V i 单调变化,这一结论与文献[4]不相符,笔者将会在进一步报道中研究此现象。
图4 输入电压对电压纹波的影响(2)输出电容的影响。
对输出电容做参数扫描的结果如图5所示。
仿真发现:当输出电容取值为1~100 F 时,电压纹波在300mV 范围内随电容容量增加而单调减小;相对于其他影响因素,电压纹波对输出电容的变化比较敏感。
当电容容量小于30 F 时,输出纹波随电容的减小剧增;当电容大于30 F 时,电压纹波基本上控制在10mV 以内。
(3)储能电感的影响。
对储能电感的变化仿真分析如图6所示,当储能电感在30~400 H 范围内变化时,电压纹波在L =72 H 时取得最小值(3m V );当L <72 H ,电压纹波随着电感值的增加而单调减小;L >72 H ,电压纹波随着电感值的增加而单调递增。
但是总体上变化比较缓慢,这与式(2)是相符的。
(4)负载及开关频率的影响88实 验 技 术 与 管 理图5 输出电容对电压纹波的影响图6 储能电感对电压纹波的影响对负载及开关频率的变化做参数分析结果分别如图7和图8所示。
当负载在30~200 之间变化时,电压纹波随着负载的增大而单调减小,但变化范围仅在几个毫伏以内,这与文献[4]的结论基本相符。
图7 负载变化对电压纹波的影响开关频率在50~10kH z(周期20~100 s)内变化,从10kH z 变化到24kH z 左右时,输出纹波随着开关频率的增加而增大;当工作在25~38kH z 范围内,输出纹波随着开关频率的增大而减小;工作频率继续增加时,却发现输出纹波电压反而增大,笔者认为是高频开关噪声所致。
图8 开关频率对电压纹波的影响3 结论通过建立BuckDC/DC 变换器的PSpice 模型,仿真分析了影响工作在DCM 模式下的Buck 变换器的输出电压纹波的有关参数。
结果表明,输出电压纹波在不同程度上受输入电压、输出电容、储能电感、负载变化及工作频率的影响,输出电容的变化最为敏感。
输出电压纹波随着输入电压的变化而变化,变化量较小,没有一定规律;输出电容的变化对输出电压纹波的影响较大,且随输出电容的增大而单调递减;在笔者设定的仿真范围内,电压纹波整体上随着电感量的增大而增加;负载增加时,输出电压纹波单调减小;工作频率在40kH z 时,输出纹波较小。
目前,由于Buck DC/DC 变换器的PSpice 模型是基于理想状态下的建模,使仿真现实的真是度受到限制,下一步计划从建立更贴近于实际的模型入手,从而提高仿真的真是度。
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