计算机仿真技术作业四

计算机仿真技术作业四

题目：Buck电路的设计与仿真

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计算机仿真技术作业四

题目：Buck 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。

因为输入为20V ，输出为5V 所以Dc=25%； 故开关频率为10kHz 时：

H L c 41075.310000

1210)25.01(-⨯=⨯⨯-=,取1.2倍临界值，故选择H 4105.4-⨯；

根据文波的要求：纹波电压为输出电压的0.5％计算电容为：

F T U L D U C S C 42

42001017.410000

1

5005.0105.48)25.01(58)1(--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-⨯=∆-=

当频率为50kHz 时：电感电容值分别求取如下：

H L c 41075.050000

1210)25.01(-⨯=⨯⨯-=，取1.2倍临界值，故选择H -4109.0⨯

F T U L D U C S C 42

420010832.0500001

5005.0109.08)25.01(58)1(--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-⨯=∆-=

2、Buck 电路仿真：

利用simpowersystems 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 Generator 模块产生脉冲驱动开关管。分别做两种开关频率下的仿真。

(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。 计算时，开关频率不同时，电感、电容也做相应变化

①当频率为10kHz 时：Dc=25%

H

L c 41075.310000

1210)25.01(-⨯=⨯⨯-=,取1.2倍临界值，故选择H 4105.4-⨯

F T U L D U C S C 4

2

42001017.410000

15005.0105.48)25.01(58)1(--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-⨯=∆-=

仿真图如下，输出电压平均值为：4.389V

实测直流电压文波为：4.3892-4.3887=5e-4V

理论直流侧电压文波公式为：V e C L T V D C Q V f f s o f o 333.8821-==∆=∆

可见实测电压文波比理论小，设计符合要求。

②当频率为50kHz 时：电感电容值分别求取如下：

H L c 4109.02.150000

1210)25.01(-⨯=⨯⨯⨯-=

F T U L D U C S C 42

420010832.050000

1

5005.0109.08)25.01(58)1(--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-⨯=∆-=

实测直流侧电压文波为：4.4058-4.3852=0.0206V

理论直流侧电压文波公式为：V C L T V D C Q V f f s o f o 0182.082

1==∆=∆

实际与理论较接近，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。

①10kHz 电感电流及直流电压波形

实测电感电流文波0.525-0.352=0.173A 理论电感电流文波公式为：

A D T L V V T L V V i s f out in on f out in Lf 833.025.0101.010

5.45

2034

1)(=⨯⨯⨯⨯-=-=-=

∆--+ 可见实际电感纹波较小。

②50Hz 电感电流及直流电压波形

实测电感电流文波0.8762V

理论上电感电流文波为：

A D T L V V T L V V i s f out in on f out in Lf 833.025.0102.010

9.05

2044

1)(=⨯⨯⨯⨯-=-=-=

∆--+ 此时实际与理论较接近。

(3)修改占空比，观察直流电压值的变化。

①10kHz

占空比为0.25时, 输出电压为4.389V

占空比为0.5时, 输出电压为9.553V

占空比为0.75时, 输出电压为14.47V

②50kHz

占空比为0.25时, 输出电压为4.397V

占空比为0.5时, 输出电压为9.574V

占空比为0.75时, 输出电压为14.71V

随着占空比的增加，稳态直流电压值同样也不断地增加，考虑到由于反并联二极管的导通压降的存在，故也总是使得实际值较理论值低一些。

(4)将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型(只仿真开关频率10k 时的情况，使用理论计算的占空比)：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）。

根据前面计算的参数，开关频率为10KHz 时125%c D =，电感值改为

41.87510H -⨯,电感电流和直流电压分别如下：输出电压值为6.426V