基于saber的buck降压电路的设计

前言在实际电力电子装置中，工程人员往往凭经验通过不断更换元器件或改变结构使装置满足一定的动态和静态特性，而通过计算机仿真能方便地完成这种改变，从而缩短产品开发周期，减小研究开发成本。

另外，在电力电子课程教学中，单纯地讲解开关元器件和各种变换电路理论，显得枯燥而缺乏生动，计算机辅助分析和设计在电力电子课程教学中显示出了它的强大的优势，通过电路仿真使得课堂教学概念讲解直观化，理论结果可视化。

Saber仿真软件是美国Analogy公司开发的功能强大的电力电子系统仿真软件之一，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、水力、控制等领域的系统设计和仿真。

它具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，其元件模型库中有4 700多种具体型号的器件模型，500多种通用模型。

针对电力电子应用，Saber提供了电源设计的环境— PowerExpress，它支持行为级和元件级的设计。

Saber的MAST语言是一种硬件描述语言，运用该语言可以方便地建立用户自身的元件或电路模型，其程序兼容Spice仿真程序。

专门为Saber仿真器而设计的SaberSketch提供了友好的用户图形界面，使得仿真非常直观，让使用者易学易用。

掌握Saber仿真软件对于研究开发电力电子装置及其控制系统，以及电力电子教学都具有重要的意义。

目录前言 (1)目录 (2)1. 基本的Buck 型变换器（开环） (3)1.1 Buck 变换器基本电路形式 (3)1.2 各器件参数和指标之间关系的定性分析 (4)1.3 实验仿真及分析 (4)2 闭环控制的构成与性能分析 (6)2.1 差分放大电路 (6)2.2 功率放大器（PI）模块 (7)2.3 PWM 块 (8)3 主电路 (9)3. 1 主电路参数讨论 (9)3.1.1 电容对输出电压波形的响 (10)3.1.2 电感对输出电压波形的影响 (11)4 结语 (12)参考文献 (13)摘要：Buck 型变换器是现代电力电子技术中一种常用的电能变换方法,主要用于计算机、精密仪器、通讯系统等高性能DC - DC 直流开关电源之中,它是现代电能变换中的一种重要方法。

Saber模拟及混合信号仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题。

本次实验通过利用saber软件，对基本的buck闭环电路进行仿真，达到熟悉saber软件的基本操作以及对简单的buck型闭环电路有一个基本的认识。

在本次所设计的电路中能够达到给定多少电压就能够输出多少电压。

关键词：saber软件；buck闭环电路；差分放大电路；PWM ；1 基本的Buck 型变换器（开环）1.1 Buck 变换器基本电路形式该Buck 变换器中,S 是逆变主开关器件,VD 是续流二极管,L 是滤波电感,C是滤波电容,RL为负载电阻。

该电路有两种工作状态,一种为S 闭合期间的工作状态,一种为S 断开期间的工作状态.设电路工作在连续导电模式下,开关周期为T ，稳态工作状态下占空比为D ， V0为平均输出电压， VS 为系统输入直流电压。

根据该电路的时序波形分析,可求得占空比D =V0/VS。

由于D<1,故为降压式变换器。

图1.1 基本的buck 型降压电路图1.2 各器件参数和指标之间关系的定性分析实验要求：假定输入电压Ui=20v ，输出电压Uo=10v ，（实际上能够达到给定多少就能输出多少），纹波电压<1%，Io=10A ，我们通过查资料得出可以根据以下公式求出电感、容、电阻值的取值范围：临界电感 :)1(212D Pof Vo L s C -=；纹波电压：212o lc 8v )(8v S o s o T D T t t lc v =-=；us k f s 101001==； 占空比：i O U U D =； 只要电压 、 电容满足上述关系就能够达到实验要求所以我们Lc=1uH ； 电容值C=2500uF ； 电阻值R=1Ω。

1.3 实验仿真及分析应用Saber 软件对此电路进行仿真，可分为3个步骤：1)画电路启动Saber Sketch 应用程序，从Part Gallery 中调出图中所需的元件并赋给元件值。

点选“wire ”图标，将各元件连接起来构成一个完整的电路。

图中输入直流电源 设为2O V ， 上升时间 TR=0．01 s ，下降时间 TF ：0．01us ，脉冲宽度Pw=7us，周期PER= 20 s。

2)设置仿真参数电路画好后，选择瞬态分析(transient)，出现对话框，在打印步长(print step)中填200 ns，这一时间表示计算机在绘制曲线时，曲线中相邻两点间的时间间隔。

这一间隔太大，曲线不够平滑，间隔太小，计算机运算时间就会增大，终止时间(final time)可填30ms。

3)仿真及分析结果仿真参数设置好后，就可以进行仿真研究了。

仿真结果如图1.2所示。

图1.2 基本的buck开环电路的仿真图形当仿真完成后，我们可以查看各个线路的波形。

其中输出波形下：图1.3 基本buck开环电路的输出波形及其放大后的波形.图1.4 基本buck开环电路的开关频率通过比较后我们发现，输出电压的大小并不是严格按照输出和占空比的乘积，其中存在着很大的脉动电压大约在正负0.05V作右，并且不可调，要调就能够改变开关的开关频率。

为此以下我们引入buck电路的闭环系统。

2.闭环控制的构成与性能分析前面分析了Buck 变换器的开环结构及其特点, 为了实现闭环控制,现构成如图所示的反馈控制系统。

图2.1 反馈控制系统闭环控制系统由差分放大电路，PI调节器，以及PWM组成，下面分别对各个模块进行分析。

2.1 差分放大电路误差放大器（差分放大电路）是buck电路中十分重要的模块，负相输入端接入反馈回来的输出电压，正相输入端接带隙基准电压，输出信号比作为比较器的负相段.(减法电路和加法电路实质相同，在求和电路中预先将某些信号倒相就可以成为求差电路或混合电路)。

差动输入运算放大器，实际上就是一个减法器，其电路如图所示。

利用U+=U-，组件输入电路为0的概念，则可求得：这样就完成了减法运算。

当时参数设定：取=1k =250k 这样就将误差放大了250倍。

如图所示：图2.2 差分放大电路的仿真图形2.2 功率放大器（PI）模块比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。

因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI 调节器或PID调节器。

图2.3 PI调节器的仿真图形2.3 PWM模块比较器是DC／DC转换器中常用的核心模块之一，它在DC／DC转换器中不但可以作为一个单独模块，而且还可以作为其它模块的子电路。

较器作为电压比较器来使用，比较器的一端接误差放大器的信号，另一端接振荡器产生的锯齿波，两者进行比较产生脉冲宽度调制信号，通过pwm信号控制功率开关管的导通与关闭。

比较器的许多特性跟高增益放大器相似，它对两个模拟输入量进行比较，根据比较的结果输出一个高电平(1)或低电平(0)。

图2.4 PWM的仿真图形其中三角波的周期为2us 幅值为20v。

当比较器+端输入大于-端输入时输出端输出一个高电平。

3 主电路通过查资料我们知道Buck 变换器的传递函数为 :。

图3.1 闭环系统的整体仿真图图 3.2 闭环系统的输入电压和输出电压的波形图图 3.3 闭环系统的输入电压放大后的波形通过仿真比较我们发现，buck电路的闭环电路比开环电路的输出波形纹波要小得多，（开环电路的纹波大约在正负0.05V而闭环的大约在正负 0.01）而且输出电压可调，可以根据需要来改变基准电压，从而得到我们想要的电压。

3.1 主电路参数讨论3.1.1 电容对输出电压波形的影响我们将电容c的大小从2500uf改变为250uf后输出电压波形的变化图 3.4 电容为250uf是输出的波形通过和电容为2500uf时输出波形的比较我们发现，电容变小后，电压下降的时间变短了但是纹波变大了，输出电压的波动变大了.由此可见电容c在电路中起到的是稳定电压和储存能量的作用。

3.1.2 电感对输出电压波形的影响我们将电感的大小从1uh变为100uh后输出电压波形的变化：图 3.5 电感为1uh时电压的波形图3.6 电感为100uh时电压的波形通过比较我们发现当电感变大后，输出电压的波形更加稳定，纹波较小，但是在开始的时候，电压的下降时间较长，到达我们需要的电压的时间较长。

4 结语应用 Saber 软件对 Buck 电路进行了仿真研究，分析了该电路的工作原理。

通过比较我们发现buck电路的闭环电路比开环电路的输出波形纹波要小得多而且输出电压可调，可以根据需要来改变基准电压，从而得到我们想要的电压。

Saber 包含有大量的电力电子元器件模型库，因此比系统仿真软件 M atlab／ Sim ulink 更适合于电力电子电路的分析和系统研究。

同时由于它方便的模型构造方法，较之普通的 Pspi ce 仿真软件具有更强的电路和系统研究功能，为电力电子技术的应用提供更有效的仿真研究手段。

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