Buck电路的设计与仿真(开环设计与仿真)2014
Buck电路闭环控制器设计仿真
Buck电路闭环控制器设计仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：Buck 电路闭环控制器设计15121501 曾洋斌作业要求：1、 建立Buck 电路的状态平均模型，设计系统闭环控制器；2、 分析稳态误差产生原因，并提出改进措施，并进行仿真；3、完成作业报告。
4、Buck 电路参数：输入电压为20V ，输出电压5V ，负载电阻4欧姆，电感1×10-3H ，电容5×10-4F ，开关频率20kHz 。
一、Buck 电路的状态平均模型根据题目所给参数，容易计算得其占空比为25%，Buck 电路如图1所示：SV VTR VDi VDCLV oV图1：Buck 电路根据状态空间平均法建模步骤如下： 1、列写状态方程、求平均变量设状态方程各项如下：[()()]T L o i t v t =x()s u v t = ()VD y i t =则有状态方程如下：x =Ax +BuT y =C x（1）列写[0，1S d T ]时间内的状态方程如图2所示，根据KCL 、KVL 以及电感电容的特性可以得到状态方程的系数矩阵如下所示：11011L CRC ⎛⎫-⎪=⎪ ⎪- ⎪⎝⎭A ，11[0]T L =B ，1[00]T =CSV VTR VDi VDCLV oV图2：开关VT 导通状态（2）列写[1S d T ，S T ]时间内的状态方程如图3所示，根据KCL 、KVL 以及电感电容的特性可以得到状态方程的系数矩阵如下所示：21011L CRC ⎛⎫-⎪=⎪ ⎪- ⎪⎝⎭A ，2[00]T =B ，2[10]T =C SV VTR VDi VDCLV oV图3：开关VT 关断状态因此，在[0，1S d T ]和[1S d T ，S T ]两个时间段内分别有如下两种状态方程：[0，1S d T ]： 11x x u =+A B ，1T y x =C [1S d T ，S T ]： 22x x u =+A B ，2T y x =C根据平均状态向量：()()1SSt T T tSx t x d T ττ+=⎰可得： ()()()()()()()()()112211SSSSSSS t dT t T T tt dT St dT t T tt dT Sx t x d x d T x u d x u d T ττττττττττ++++++=+=+++⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎰⎰⎰⎰A B A B又根据建模的低频假设和小纹波假设，可得到如下近似：()()ST x t x τ≈ ()()ST u t u τ≈将这两个近似式回代原方程得：''11211121()[()()]()[()()]()SSST T T x t d t d t x t d t d t u t =+++A A B B同理可得：'1121()[()()]()SST T T T y t d t d t x t =+C C因此有：X =AX +BU ，T Y =C X其中1112(1)d d =+-A A A ，1112(1)d d =+-ΒΒΒ，1112(1)T T T d d =+-C C C2、求解稳态方程及动态方程 （1）求解稳态方程根据电感伏秒平衡以及电容电荷平衡，稳态时有0X =，令大写表示稳态值，即：11,,,x X y Y d D u U ====则有方程组⎧⎨⎩TAX +BU =0Y =C X解方程组得：-1X =-A BU T -1Y =-C A BU由前面求得的两个时间段状态方程系数矩阵得：1011L CRC ⎛⎫-⎪=⎪ ⎪- ⎪⎝⎭A ，1[0]T D L =B ，11[10]T D =-C以下令'111D D =-。
buck电路设计
Buck变换器设计——作业一．Buck主电路设计1.占空比D计算2.电感L计算3.电容C计算4.开关元件Q的选取二. Buck变换器开环分析三. Buck闭环控制设计1.闭环控制原理2.补偿环节Gc(s)的设计——K因子法3.PSIM仿真4. 补偿环节Gc(s)的修正——应用sisotool5．修正后的PSIM仿真四．标称值电路PSIM仿真五．设计体会Buck变换器性能指标:输入电压：标准直流电压48V，变化范围：43V~53V输出电压：直流电压24V ，5A 输出电压纹波：100mv 电流纹波：0.25A 开关频率：fs=250kHz 相位裕度：60 幅值裕度：10dB一. Buck 主电路设计：1.占空比D 计算根据Buck 变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D 的变化范围。
.50V48V 24U U D .4530V 53V 24U U D 0.558V 43V24U U D innom o nommax in o minmin in o max =========2.电感L 计算uH 105f i 2)D U -(U i 2)T U -(U L sL min o inmax Lon(min)o inmax =∆=∆=3.电容C 计算uF25.1250000*1.0*825.0vf 8i C s L ==∆∆=电容耐压值：由于最大输出电压为24.1V ，则电容耐压值应大于24.1V 。
考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故电容选取120uf/50V 电容。
4.开关元件Q 的选取该电路的输入电压是43V~53V ，则开关管耐压值为53V ，电流的最大值为A 25.525.0A 5i I I L o Qp =+=∆+=，其开关频率为KHz 250f =，因此选用的MOSFET 管MTD6N15T4G ，其额定值为A 6/V 150。
Buck 主电路传递函数Gvd （s ）占空比d （t ）到输出电压Vo （t ）的传递函数为：220zinvd /s Q /s 1/s 1U )s (G ωωω+++=其中，CR 1,)C R R /L (1Q ,/R)R LC(11esr z esr 0esr 0=+=+=ωωω取R esr=50m Ω，负载R=4.8Ω，又知L=105uH ，C=120uF ，可求得ω0=8862.7rad/s ，f 0=ω0/2π=1410.5Hz ，Q=4.0269，ωz=166670rad/s ，fz=ωz/2π≈26526Hz 。
基于Buck变换器的双环开关调节系统的设计和仿真
基于Buck变换器的双环开关调节系统的设计和仿真作者：夏伟薛勇杨杰来源：《电子世界》2013年第12期【摘要】Buck电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Vo等于占空比乘以输入电压Vin。
通常电感中的电流是否连续，取决于负载的大小，所以简单的BUCK电路输出的电压不稳定，一旦负载突变会造成严重后果。
加入闭环控制系统，输出电压经采样环节后和参考电压比较，同时在此基础上引入电流反馈，得到的误差信号送至控制器，控制器输出信号送至PWM环节和锯齿波时钟信号比较，改变占空比d即可调节开关变换器的输出电压，达到稳定电压的目的。
【关键词】Buck电路；闭环控制；PWM环节1.引言随着电力电子技术的迅速发展，高频开关电源变换器已广泛应用于计算机、电信、航空航天等领域。
其核心是电能形式的变换和控制，并通过电力电子电路实现其应用。
Buck变换器是开关电源变换器中最常见的一种，主要应用于低压大电流领域，有众多拓扑。
但简单的Buck电路输出电压不稳定且会受到负载和外部的干扰。
为了达到稳定输出电压的目的，在电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，获得较好的动态性能。
2.Buck变换电路控制系统的基本原理2.1 单闭环调节系统的设计和主电路模型具有电压控制的Buck变换器开关调节系统如图1所示，主电路为Buck变换电路[1]，控制电路采用电压负反馈。
在负反馈电路中，输出电压U经采样后与给定的参考电压U比较，得到误差信号Ue送至控制器，控制器输出信号Uc送至PWM环节，与PWM环节中的振荡器产生的锯齿波时钟信号比较，使比较器输出周期不变，脉冲宽度即占空比d受Uc调制的一系列脉冲信号，再通过驱动器将脉冲信号放大，控制变换器的功率开关器件的导通与关断。
由于电压和负载发生变化，或系统受到其他因素干扰使输出电压发生波动时，通过负反馈回路[2]可调节开关变换器的功率器件在一个开关周期内的导通时间，达到稳定输出电压的目的。
2.2 双环开关调节系统的设计为了克服单环系统在控制和环节上的延迟，在电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，可获得较好的动态性能。
BUCK电路的PID控制设计及仿真
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 。
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电路的设计与仿真闭环设计及仿真
v s V s v ˆ s ； d D d ˆ ； d ' D ' d ˆ ； x X x ˆ ； y Y y ˆ
dxˆ dt
Axˆbvˆs
[(A1
A2)X
(b1
b2)Vs]dˆ
(A1 A2)dˆxˆ(b1 b2)dˆvˆs
x ˆ(s)(sIA)1bv ˆs(s)(sIA)1[(A 1A 2)X(b1b2)Vs]d ˆ(s) y ˆ(s)CT(sIA)1bv ˆs(s) C (T b(1s Ib 2)A V )s ]1[ (A (C 11 T A 2 C )2 X T)X d ˆ(s)
稳态和低频小信号等效电路模型
Δ(s S )2ω Q0Sω02
QD' ω0
L
DR ' L
1 RD l C' RcC
Q1
1
ω1
1
L D'2 Re
q
RcC
ω0
D' LC
ω1
D' LC
Req Rc
ωZ
1 RcC
ωa
(D')2 L
RL
Req(DRl)'2 DD'Rc
变换器控制到输出的传递函数
v d ˆˆ0((s s ))(V DI)2'(1 (s sω /R 0 cC )2 )s (ω (1 /0 D Q s)2 'L R 1L)
fz 1/(2 R2C1)
2.5 43
3
36
4
28
设计步骤
6. 验证与调整：时域仿真与实验验证？。 7. 结论 8. 补偿器在低频处有一个极点，通过提高误差放大器的开环增益改善输出调节性能，并降低低
论文-Buck变换器双闭环控制仿真研究讲解
毕业设计（论文）说明书题目：Buck变换器双闭环控制仿真研究系名信息工程系专业自动化学号 6011XXXXXXX学生姓名 XXX指导教师 XXX2015年6月5日毕业设计（论文）任务书题目：Buck变换器双闭环控制仿真研究系名信息工程系专业自动化学号 6011XXXXXX学生姓名 XXX指导教师 XXX职称副教授2014年12月15日一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。
）便携式电子产品的广泛应用，推动了开关电源技术的迅速发展。
因为开关电源具有体积小、重量轻以及功率密度和输出效率高等诸多优点，已经逐渐取代了传统的线性电源，随之成为电源芯片中的主流产品。
随着开关电源技术应用领域的扩大，对开关电源的要求也日益提高，高效率、高可靠性以及高功率密度成为趋势，这就对开关电源芯片设计提出了新的挑战。
其中对于非隔离的DC/DC开关电源，按照电路功能划分，有降压式（BUCK）、升压式（BOOST），还有升降压式（BUCK-BOOST）等。
其中品种最多，发展最快的当属降压式（BUCK）。
我国目前能源紧缺，而电源行业又是一个与能源消耗密切相关的行业，因此我们在设计DC/DC开关电源产品时，转换效率必须作为一个重要的指标加以考虑。
尤其是随着采用3.6 V锂离子电池作为电源的消费类电子产品市场不断扩大，且功能和性能变得更多和更高，对适用于这类产品的BUCK变换器的性能提出了更高的要求。
因此研究BUCK变换器的控制具有重要的理论和现实意义。
二、参考文献[1] 丘涛文. 开关电源的发展及技术趋势[J]. 电力标准化与技术经济，2008，17(6)：58-60.[2] 张乃国. 一种脉冲频率调制型稳压电路的研究[J]. 电源世界，2007，10（4）：21-23.[3] 刘树林，输出本质安全型Buck-Boost DC-DC变换器的分析与设计，中国电机工程学报，2008，28(3): 60-65.[4] 马丽梅，Buck-boost DC-DC变换器的控制，河北工业大学学报，2008，37(4) :101-105.[5] 刘树林，Buck-Boost变换器的能量传输模式及输出纹波电压分析，电子学报，2007，20(5) :838-843.[6] 彭力，新型大功率升降压型DC-DC变换器控制研究,船电技术，1999，3(1) :26-28.[7] 钟久明，Buck-Boost变换器的本质安全特性分析及优化设计西安科技大学硕士学位论文 2006.[8] 高飞，蒋赢，赵小妹等，一种新型Buck-Boost变换器，电力电子技术2010 22(4):50-52.[9] Xu Jianping，Yu Juebang.Equivalent circuit model of switches for SPICE simulation.IEEElectronics，Letters，1988，V ol.24，No.7，437-438.[10] Xu Jianping，Yu Juebang，Zeng H.SPICE simulation of switched DC-DC convert.IEEEInternational Symposium on Circuits and Systems，1991，V ol.24，No.5，3032-3026. [11] 王海鹏，王立志，王卓. 基于1394的数据传输电路[J]. 现代电子技术，2009，32(21)：52-54.[12] 王久和. 电压型PWM整流器的非线性控制[M]. 第1版，北京: 机械工业出版社, 2008.[13] 师娅，唐威. 一种电流型PWM控制芯片的设计[J]. 微电子学与计算机，2007，24(8)：145-148.三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。
Buck电路的仿真
Buck 电路的仿真一降压变换器，输入电压为1800V ，输出电压540V ，电感值1mH 、电容值2mF ，负载电阻，开关频率为600Hz 。
（1）计算开关器件的占空比：D=V o /V D =540÷1800×100%＝30%。
（2）对电路进行仿真，记录波形。
电容电压波形电感电流波形由上表可看出，仿真结果与理论计算值相比输出的稳态电压V o 和输出电流平均值I L 小于理论值，纹波电压与理论值一致，纹波电流略大于理论值，其主要原因在计算理论值是没有考虑开关器件IGBT 的导通压降。
（3）将电感值修改为0.5mH ，再次仿真。
电容电压波形电感电流波形显然，I L 波形下沿被削平，Buck 变换器已经进入不连续导通模式，此时：稳态输出电流I L 为483.14A ； 稳态输出电压V O 为665V 纹波电压△u 为143.6V 启动电压超调量δ为40.8% 启动电流瞬时值I peak 为1727.3A与（2）中结果相比可见，在同一占空比下，由于电感减小的不连续导通模式的输出电压、电流平均值均升高，电压纹波变大，启动电压超调变小，启动电流瞬时值变大。
（4）电感值保持0.5mH ，开关频率提高为1.2kHz 。
电容电压波形电感电流波形仿真值更接近于理论计算值，但是电压超调明显增大。
（5）以（2）中的仿真为基础，试改善电路的启动性能。
启动阶段，输出电容相当于短路，故有很大的浪涌电流灌入，这使得输出电压产生较大的过冲，浪涌电流也可能会损坏开关管和其它器件。
改善的方法有2种：方法①是改变电感值，电容值以及开关频率：改善后电压波形电感L 增大 → 电压超调量δ增加，电压纹波△u 减小，达到稳态所需要的时间t 增加；电感C 增大 → 电压超调量δ增加，电压纹波△u 减小，达到稳态所需要的时间t 增加；频率f s 增加 → 电压超调量δ减小，电压纹波△u 减小，达到稳态所需要的时间t 增加；当频率增大到一定阶段后，对这三者基本不会再有影响。
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。
Buck变换器的设计与仿真
Sa b er 仿真作业Buck 变换器的设计与仿真1Buck变换器技术 ..................................................................... -2 -1.1Buck变换器基本工作原理 ....................................................... -2 -1.2Buck变换器工作模态分析....................................................... -2 -1.3Buck变化器外特性............................................................. -3 -2Buck 变换器参数设计................................................................. -5 -2.1Buck变换器性能指标 ........................................................... -5 -2.2Buck变换器主电路设计......................................................... -5 -2.2.1占空比 D .................................................................... - 5 -2.2.2滤波电感Lf .................................................................. - 5 -2.2.3滤波电容Cf .................................................................. - 6 -2.2.4 开关管Q的选取........................................................ -7 -2.2.5续流二极管D的选取..................................................... -7 -3Buck变换器开环仿真................................................................. -7 -3.1Buck变换器仿真参数及指标 ..................................................... -7 -3.2Buck变换器开环仿真结果及分析................................................. -8 -4Buck变换器闭环控制的参数设计....................................................... -9 -4.1闭环控制原理................................................................. -9 -4.2Buck变换器的闭环电路参数设计................................................. -10 -4.2.1Gvd(s)的传递函数分析 ................................................... -10 -4.2.2补偿环节Gc(s)的设计 ................................................... -12 -4.2.3补偿环节参数设计...................................................... -14 - 5Buck变换器闭环仿真............................................................... -18 -5.1Buck 变换器闭环仿真参数及指标................................................. -18 -5.2Buck变换器闭环仿真电路原理图................................................. -19 -5.3Buck变换器的闭环仿真结果与分析............................................... -19 -6总结............................................................................. -21 -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，其电路如图功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。
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 ................................................................................................. - 2 -1.3 Buck变化器外特性 ............................................................................................................ - 3 -2 Buck变换器参数设计................................................................................................................... - 5 -2.1 Buck变换器性能指标......................................................................................................... - 5 -2.2 Buck变换器主电路设计..................................................................................................... - 5 -2.2.1 占空比D .................................................................................................................. - 5 -2.2.2 滤波电感Lf.............................................................................................................. - 5 -2.2.3 滤波电容Cf ............................................................................................................. - 6 -2.2.4 开关管Q的选取...................................................................................................... - 7 -2.2.5 续流二极管D的选取 .............................................................................................. - 7 -3 Buck变换器开环仿真................................................................................................................... - 7 -3.1 Buck变换器仿真参数及指标.............................................................................................. - 7 -3.2 Buck变换器开环仿真结果及分析 ...................................................................................... - 8 -4 Buck变换器闭环控制的参数设计................................................................................................. - 9 -4.1 闭环控制原理..................................................................................................................... - 9 -4.2 Buck变换器的闭环电路参数设计 .................................................................................... - 10 -4.2.1 Gvd(s)的传递函数分析 .......................................................................................... - 10 -4.2.2 补偿环节Gc(s)的设计........................................................................................... - 12 -4.2.3 补偿环节参数设计................................................................................................. - 14 -5 Buck变换器闭环仿真................................................................................................................. - 18 -5.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标 .................................................................................... - 18 -5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图 .................................................................................... - 19 -5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析................................................................................. - 19 -6 总结 ........................................................................................................................................... - 21 -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。
Buck电路的软开关设计和仿真本科毕业论文
重庆大学本科学生毕业设计（论文）Buck电路的软开关设计和仿真摘要在当今节能型社会中，如何提高电源的效率成为电源技术研究的重点。
早期的开关电源均采用硬开关技术，在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，并且开关频率越高，开关损耗就越大。
而高频化是减小开关电源体积的重要途径，但是硬开关电源中高频化必然带来电源效率的降低，因此硬开关电源不能适应高频化的发展趋势。
这样采用软开关技术的电源应运而生，它是解决高频化和提高电源效率二者矛盾的有效手段。
本文对采用N沟道增强型MOSFET作开关器件的Buck电路进行了软开关的设计和仿真。
用到的方案是准谐振充放电模式，使MOSFET漏源极两端的电压能在栅极触发脉冲到来前变为零，使开关管能进行零电压开通。
这样就能有效地实现Buck电路的软开关，提高电路的效率。
最后利用Saber仿真软件，对设计的软开关控制策略进行了仿真验证，结果与预期相符合。
在得到此方案的顺利运行后，考虑到输出支路电感电流存在反向的问题，使得输出电流纹波较大，又运用叠加原理的思路，设计了另一方案，从而有效地避免了输出电流反向的问题。
关键词：降压变换器，软开关，Saber仿真ABSTRACTIn today's energy-saving type society, how to improve the efficiency of power supply becomes an important aspect of power technology research. In early power supply research times hard switching technology was adopted. The switching-on or switching-off process accompanied with great loss, and the higher switching the frequency is, the greater the switching loss is. The high operating frequency is an important way to reduce the volume, so the hard switching technology doesn't suit it. Then the soft switching technology appears. It is a good method to solve the high operating frequency and improving the efficiency problem.This article presents a soft switching method of the Buck converter which uses the N channel enhancement type MOSFET as the switch and the simulation. The design is quasi resonant charging and discharging mode which makes the D-S voltage become zero before the gate trigger pulse come, so the MOSFET can operate in a zero voltage turn-on mode. In this way, it can effectively realize the soft switching of Buck converter and improve the efficiency of the circuit. Finally I use the saber software to do the simulation and receive the expected result. After that, considering the reverse slip output inductor current problem which makes the output current ripple large, I present another method which can avoid the problem.Key words：Buck converter, soft switching, saber simulation目录摘要 (I)ABSTRACT.................................................. I I 1 绪论. (1)1.1 研究背景 (1)1.2 研究的目的及意义 (1)1.3 研究的主要内容 (2)2 Buck电路软开关电路设计及原理分析 (3)2.1 Buck电路软开关设计方案 (3)2.2 原理分析 (5)2.3 参数计算与设置 (9)3 Saber仿真验证 (10)3.1 Saber仿真软件的组成 (10)3.2 Saber仿真软件的特征 (10)3.3 Saber的分析功能 ................................................................................ 错误!未定义书签。
BUCK电路PID控制器设计及仿真
BUCK 电路PID 控制器设计及仿真本文在BUCK 电路传递函数的基础上对BUCK 电路的开环特性进行了分析，并利用MATLAB 的SISOTOOL 工具箱设计了PID 控制器，然后用以运放为核心搭建了PID 控制器硬件电路，最后在PSIM 上对BUCK 电路进行闭环仿真。
1. 设计指标输入直流电压(Vin)：28V 输出电压(Vo)：15V 基准电压(Vref)：5V 开关频率(fs)：100kHz 三角载波峰峰值：Vm=4V图1为Buck 变换器主电路，元件参数如图所示：3图1 buck 变换器主电路2. PID 控制器设计2 .1原始系统分析BUCK 变换器构成的负反馈控制系统如图3.1所示：图2 BUCK 变换器闭环系统其中Gvd(s)为占空比至输出电压的传递函数， Gm(s)为PWM 脉宽调制器的传递函数， H(s)表示反馈分压网络的传递函数，Gc(s)是误差信号E(s)至控制量Vc(s)的传递函数，为补偿网络的传递函数。
本系统中，PWM 调制器的传递函数为：ˆ1ˆ4m c m d(s)1G (s)== =v (s)V （1）式中，Vm 为PWM 调制器中锯齿波的幅值。
反馈分压网络的传递函数为：Hs=VrefVo=515=13（2）占空比至输出电压的传递函数为：Gvds=VoD11+sLR+s2LC（3）其中Vo=15V ，D=VVin=1528=0.536，L=50μH ，R=3Ω，C=500μF 。
将参数代入式（3）可得，Gvds=282.533×10-8s2+1.675×10-5s+1 （4） 对于BUCK 变换器系统，其回路增益函数G(s)H(s)为 GsHs=GcsGmsGvdsHs=GcsGos （5） 式中，Gos=GmsGvdsHs（6）为未加补偿网络Gcs 时的回路增益函数，称为原始回路增益函数，将式子（1）、（2）、（4）可得本系统中原始回路增益函数Gos=283.04×10-7s2+ 0.000201s+1 （7）根据式（7）可做出系统原始回路增益函数波特图如图3所示：图3 原始回路增益函数波特图从图3中可以看出穿越频率为fc=1.82kHz ，相位裕度为ψm=4.72deg ，从表面上看，系统是稳定的，但是如果系统中的参数发生变化，系统可能会变得不稳定；另外穿越频率太低，系统的响应速度很慢。
buck_boost和cuk电路仿真分析
Buck_Boost和Cuk电路仿真分析一、Buck_Boost电路仿真仿真电路图如下图所示：电路参数如下：μΩVs=5V，L=0.5mH，C=100F，R=5，f S=10kHz，D=0.8。
R on=1mΩV on=0.1VIGBT导通电阻，正向导通压降，R on=1mΩV on=1mV二极管导通电阻，正向导通压降。
理论计算结果如下所示：V OΔV O I O I DΔI L-20V 3.2V-4A16A0.8A仿真结果如下所示：V OΔV O V CΔV C I OΔI O I D I LΔI L -19.5V3V19.5V3V-3.9A0.6A16A20A0.8A对比理论与仿真结果可以看出，二者部分存在误差，但差距不大。
部分数据由于目测的原因，也存在一定的误差，但误差很小，此处不再考虑。
波形图如下所示，其中图1上半部分为I O，下半部分为V O，图二为I L，图三为I D，图4为V C。
二、Cuk 电路仿真仿真电路图如下：电路参数如下：Vs=5V ，L 1=L 2=0.5mH ，C 1=C 2=100F ，R=5，f S =10kHz ，D=0.8。
μΩIGBT 导通电阻，正向导通压降，R on =1mΩV on =0.1V 二极管导通电阻，正向导通压降。
R on =1mΩV on =1mV 理论计算结果如下所示：V O ΔV O ΔV C1I O I D （）I L1ΔI L1ΔI L2-20V0.1V3.2V-4A16A0.8A0.8A仿真结果如下所示：V OΔV OV C1ΔV C1I OΔI OI D （）I L1ΔI L1I L2ΔI L2-19.5V0.1V24.5V 3.1V-3.92A0.02A16.4A0.8A-3.9A0.8A 对比理论与仿真结果可以看出，二者部分存在误差，但差距不大。
部分数据由于目测的原因，也存在一定的误差，但误差很小，此处不再考虑。
波形图如下图所示：I L1其中，图1为V C1，图2上半部分为I O，下半部分为V O，图3上半部分为I D（），下半I L2部分为。
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• 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
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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。
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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)
39
（4）模型细化（完善）
① 开关管——应力计算、选取及实际器件选取；
Get part parametric search ……
② 二极管——应力计算、选取及实际器件选取；
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参考资源及介绍
• Saber help files
– D:\Synopsys\Z-2007.03\doc\webworks_docs\saber – Example: Power Converter Design Example； SaberQuickStart；ExamplesUser；SaberUser； SketchUser；HotkeyUser
• •
19
难以进行直流分析的电路
• 电容割集（电容和电流源组成的割集）;
• 电压源与电感串联、电流源与电容串联;
• 具有不同初值的电感串联
• 具有不同初值的电容并联;
20
Analyses > Operating Point > DC Operating Point :（简略介绍）
21
仿真器主要参数：
• DC analysis • Plot after analysis
26
Analysis > Timห้องสมุดไป่ตู้ Domain > Transient :
Calibration
– Truncation Error
在分析过程中每次计 算结果的舍入精度。这个 参数对仿真结果精度影响 很大，甚至导致仿真不收 敛。参数值越小，仿真精 度越高，但参数值过小会 降低仿真速度。通常取 100u即可。0.1倍改变
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例：Buck类LC滤波输出电流为20A,允许纹波纹波电压为 100mV。f=100kHz .选择电解电容。 解：纹波电流为4A。因为ΔUpp＝ Δ IRESR＝ 4×65×10-6/C ,则需要C＝ 4×65×10-6/0.05=2600μF，取2700uF，其ESR 约为24.1m；ESR引起的纹波为96.4m 如果不考虑ESR，按照此容量计算纹波电压为ΔUpp＝ Δ IT/2C ＝ 4×10×10-6/(2×2700×10-6）=7.5mV 纹波： (96.4) 2 (7.5) 2 96.7 mV
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开环仿真（瞬态）、分析与模型细化
（1）原理图编辑
（2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型细化
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（3）仿真结果分析
• 查看仿真波形
– 图形文件的打开 – 现有信号的查看 – 信号的运算
• 测量分析结果 • 验证设计是否满足要求
– 观测各种情形下关键点波形
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（3）仿真结果分析
① 输出电压纹波；
3
（1）性能指标
• DC-DC变换器性能指标： • 输入电压：36-72 VDC（额定48V） • 输出性能：
– 额定输出电压 Vout 28VDC – 输出电流纹波 Vout(p-p) <50mV – 额定负载电流 Iout 10A，在负载电流大于2A时， 电感电流工作于CCM。
• 其他性能：
– 开关频率 100kHz
Cf
I ripple 8 f sVout ( p p )
100 F
ESRmax
V 0.05 12.5m I 4
充电电荷Q 充电电流 * 充电时间 1 1 = I ripple * Ts C f *Vout ( p p ) 4 2
37
电解电容的ESR、ESL
4
（2）Buck电路的工作原理
• 电路拓扑
Q
A L D C + RL U o -
+ Ui -
ub b
• CCM下的电路工作原理
5
（3）Buck电路的开环设计
•
主电路参数设计
（1）占空比 （2）滤波电感量滤波电感设计 （3）滤波电容 （4）功率器件
6
占空比
（1）占空比
Dmax Dmin Dnom Vout 28 0.78 Vin min 36 Vout 28 0.39 Vin max 72 Vout 28 0.58 Vinnom 48
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（2）仿真模拟
② 时域分析（transient）
时域分析的概念与作用
• 瞬态分析用于检验系统的时域特性，此分 析通常从静态工作点开始。是功率变换器 数值仿真中应用最广泛的分析类型。
瞬态分析对话框
24
Analysis > Time Domain > Transient :
Basic
• End Time：定义瞬态分 析结束时间； • Time Step：步长；
– 设计中有关时间常数的 1/10； – 驱动源最小的上升或下 降沿； – 正弦驱动源输入周期的 1/100。
• Start Time：开始时间;
25
Analysis > Time Domain > Transient :
Basic
• Monitor progress
– 0 执行时间 – -1 执行概要和时间 – 其他整数 迭代信息、运 算法则、截断误差、 CPU时间等
• Sample point Density
27
Sample Point Density：
• 仿真器对电路中的非线性模块做线性化处理时将 其分为n个线性段(n值为此参数值的2倍)，n越大 ，精度越高，但会降低仿真速度，最大可取1k。 • DC分析中，有助于找到直流工作点； • Transient 分析中，乘以DC分析中的该设置值； • 取值越大，曲线越平滑，越逼近真实波形；2倍
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（1）原理图编辑
④ 修改元器件属性
– – – – – – 理解所选择元器件的属性 定义属性 帮助文件的使用 画线 重新布线 连线与电压节点命名
⑤ 布线
⑥ 保存
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开环仿真（瞬态）、分析与模型细化
（1）原理图编辑 （2）仿真 （3）仿真结果分析 （4）模型细化
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（2）仿真模拟：仿真工具和仿真类型
7
滤波电感设计
• 电感量，2A时（1/5负载），电感电流临界 连续。
I L L UL T UL 28 Lmin(CCM ) Tmax (1 0.39)10u 42.7uH I L 4
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滤波电容设计
• ILf>Io充电,ILf<Io放电；
充电电荷Q 充电电流 * 充电时间 1 1 = I ripple * Ts C f *Vout ( p p ) 4 2
Cf I ripple 8 f sVout ( p p ) 100 F
ESRmax V 0.05 0.0125 I 4
9
Buck电路的设计
一．开环设计； 二．开环仿真（瞬态）、分析与模型细化； 三．闭环基本概念与AC 小信号仿真；
四．闭环仿真；
五．元件级仿真。
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开环仿真（瞬态）、分析与模型细化
（1）原理图编辑 （2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型细化
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（1）原理图编辑
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（1）原理图编辑
① 启动Saber Sketch ② 打开电路图编辑窗口
– – –
• •
创建新设计 打开已有设计 查找元件
Search Browse
③ 选择和放置电路元件
– –
复制元件（含属性） 元器件的移动
a. b. 寄生电感； 寄生电容；
IV. 半导体器件的寄生参数和实际元器件的选 取
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I 滤波电感设计 ① 电感量计算； ② 磁芯选取
a. 电感磁芯材料的选取：
• 有较大的直流偏磁，磁通摆幅小，相应交流损耗也小，因此 可以选择较高的饱和磁密。应选取（铁氧体、铁粉芯、铁铝 硅Kool u、MPP、 high flux、非晶等 ）；----
Monitor progress ：进度显示控制；
•0 执行时间 •-1 执行概要和时间 •其他整数 迭代信息、运算 法则、截断误差、CPU时间 等
Sample Point Density;