BUCK变换器的研究与设计

摘要
当今消费市场中，便携式电子产品所占比重较大，这种产品要求电池体积小、重量轻、使用时间长。

高效、低压开关DC-DC转换器，通过提高电源转换效率及改进控制技术，达到了所需要求，因此被广泛应用于电子产品中。

直流—直流交变器（DC-DC Converter）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。

直接直流变流电路为称斩波电路，他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，一般是指直接电变为另一直流电。

这种情况下输入与输出之间不隔离。

间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称直-交-直电路。

本次课程设计主要采用直接直流变流电路，由直流稳压电路、BUCK斩波电路以及控制电路三个部分完成BUCK变换器的研究与设计。

课程设计任务书
学生姓名：专业班级：
指导教师：工作单位：
题目：BUCK变换器的研究与设计
初始条件：
输入电压：20~30V，输出电压：0-15V，输出负载电流：0.1~1A，工作频率：30KHz，采用降压斩波主电路。

要求完成的主要任务：
1. 直流供电电源设计。

2. 降压斩波主电路设计（包括电路结构形式，全控型器件的选择）并讨论主电
路的工作原理。

3.脉宽调制电路（如SG3525集成PWM控制器）及驱动电路设计。

4. 分析PWM控制原理及波形。

5.提供电路图纸至少一张。

课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。

应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。

时间安排：
2011.1.14～2011.1.15 收集资料，确定设计方案
2011.1.16～2011.1.17 系统设计
2011.1.18～2011.1.19 撰写课程设计论文及答辩
指导教师签名：
年月日
引言 (4)
第一章设计要求与方案 (2)
1.1 设计要求 (2)
1.2 方案确定 (3)
第二章直流稳压电源设计 (3)
2.1 设计要求 (3)
2.2 直流稳压电源原理描述 (4)
2.3 设计步骤及电路元件选择 (5)
第三章Buck变换器设计 (5)
3.1 Buck变换器基本工作原理 (9)
3.2 Buck变换器工作模态分析 (9)
3.3 Buck变换器参数设计 (11)
第四章控制电路设计 (13)
4.1控制电路原理 (13)
4.2电路设计 (14)
4.3 PWM控制原理与波形.................................................................. .. (15)
第五章课程设计总结 (17)
参考文献 (18)
附图 (19)
随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。

电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。

开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。

伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。

开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

BUCK降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用BUCK作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。

它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。

其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

所以用BUCK作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。

BUCK降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。

第一章 设计要求
1.1 课程设计要求
1、采用降压斩波主电路
2、输入直流电压：20~30V
3、输出电压：0-15V
4、输出负载电流：0.1~1A
5、工作频率：30KHz
1.2 方案确定
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。

根据降压斩波电路设计任务要求设计稳压电源、BUCK 电路及控制电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。

图1.1降压斩波电路结构框图
在图1结构框图中，BUCK 电路是用来产生降压斩波电路的，控制电路产生的控制信号传到BUCK 电路，使信号为加在开关控制端，可以使其开通或关断。

通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作
控制电路
稳 压
电 源
BUCK
电路
负载
输出电压Uo
第二章直流稳压电源的设计
2.1设计要求
设计一个输出电压在20~30V可调的串联型直流稳压电源，将市电(220V/50HZ的交流电)经电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路后转变为20~30V的直流稳定电压。

2.2直流稳压电源原理描述
电子设备一般都需要直流电源供电。

这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。

图2.1直流稳压电源框图
图2.2单向桥式整流电路
图2.3电容滤波电路
图2.4具有放大环节的串联型稳压电路
直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.1所示。

电网供给的交流电压U1(220V,50Hz) 经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压U3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压U I。

但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。

在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

图2.2,2.3，2.4串联起来就组成了具有放大环节的串联型稳压电源电路图，其整流部分为单相桥式整流、电容滤波电路。

稳压部分为具有放大环节的串联型稳压电路，它由调整元件（晶体管Q1，Q2组成的复合管）；比较放大器（集成运放A）；取样电路R2、R4、R3，基准电压D Z、R1等组成。

整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经比较放大器放大后送至调整管的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。

2.3设计步骤及电路元件选择
设计过程采用模块化进行，先依次设计好各模块电路及仿真无误后，再将它们串联起来组成总的电路图；
电路元件选择：
1：Ui的确定
Ui=Uo+Uce,因为Uomax=30V,Uce>Uces=1~2V,取Uces=2V,所以Ui=Uomax+Uces=32V;
2:调整管的选择
Ucemax=Ui-Uomin=32-20=12V,查表选择D42C3，为扩大输出电流范围，采用D42C8和D42C3构成的复合管;
3：稳压二极管Dz的选择
Uz小于等于Uomin=20V,所在选用ZPD5.1稳压管，参数为Uz=5.18V,Iz=1~10mA；
4：电阻R1的选择
UR1=Ui-Uz=32-5=27V,IR1取10mA, R1= UR1 / IR1=2.7k,R1取2k;
5: 集成运放的选择
因为本电路对集成运放要求不高，所以选用通用型集成运放；
6：滤波电容C1的选择
为提高滤波效果，C1选用470uf的电解电容；
7：取样环节的电阻R2，R3，R4的确定
Uomax=(R2+R3+R4)*Uz/R3
Uomin=(R2+R3+R4)*Uz/(R3+R4)
其中R4为最大阻值为1Ko的滑动变阻器，Uz=5.18V, Uomax=30V,Uomin=20V,联立方程，可求得R2=264ohm,R3=666ohm;
8：U2及变压器的确定
对于全波整流电路，Ui=1.2U2,所以U2=Ui/1.2=25V,所发选用变比为10：1的变压器，再通过电阻分压后得到14V电压；
9：整流二极管的选择
URm>1.1*1.414*U2=1.1*1.414*14=38V,查表选用1B4B42
第三章 Buck 变换器设计
3.1 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3.1。

驱动信号ub 周期地控制功率晶体管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uo 等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。

电路的主要工作波形如图3.2。

+
-
Vin
Q
f
C f
L R D
Ub
Uo
+
-A
图3.1 Buck 变换器电路
Ub
A
U 0
t
t
t
Vin
L
i L
i QON QOff
图3.2 Buck 变换器的主要工作波形
3.2 Buck 变换器工作模态分析
在分析Buck 变换器之前，做出以下假设：
① 开关管Q 、二极管D 均为理想器件； ② 电感、电容均为理想元件； ③电感电流连续；
④ 当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。

在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图1.3所示，各开关模态的工作情况描述如下：
（1）开关模态0[t0~t1]
[t0~t1]对应图1.3（a)。

在t0时刻，开关管Q 恰好开通，二极管D 截止。

此
时：
dt di
L
U U o i =- （式1-1）
电感中的电流线性上升，式1-1可写成：
on
on on
omin
omax o i T i L
T i i L
U U ∆=-=- （式1-2）
（2）开关模态1[t1~t2]
[t1~t2]对应图1.3（b)。

在t1时刻，开关管Q 恰好关断，二极管D 导通。

此时：
dt di
L
U 0o =- （式1-3）
电感中的电流线性下降，式1-3可写成：
off
off off
omin
omax off
omax
omin o T i L
T i i L
T i i L
U ∆=-=--= （式1-4）
式中T off 为开关管Q 的关断时间。

在稳态时，i
i i on off
∆=∆=∆，联解式1-2与
式1-4可得：
i
o DU
U = （式1-5）
输出电流平均值：
)
i i 21
I omin omax o +=（ （式1-6）
3.3 Buck 变换器参数设计
3.3.1 Buck 变换器性能指标
输入电压：Vin=20~30V ； 输出性能：Vout=0-15V ；
Iout=0.1~1A ； 开关频率：fs=30KHz 。

3.3.2 Buck 变换器主电路设计
主电路中需要确定参数的元器件有IGBT 、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定过程如下。

(1）电源
因为题目要求输入电压为20-30V ，且连续可调。

其直流稳压电源模块 的设计已在前面完成。

所以该直流稳压电源作为系统电源。

（2）电阻
因为当输出电压为12V 时，输出电流为0.1-1A 。

所以由欧姆定律可得负载
电阻值为 ，可得到电路电阻应该在Ω-12012。

（3) IGBT
+
-
Vin
Q
f
C f
L R D
Ub
Uo
+
-
A
图3.3(a) [t0~t1]
+
-
Vin
Q f
C f
L R D
Ub
Uo
+
-
A
图3.3(b) [t1~t2]
Ub
A
U 0
0t
t
t
Vin
L
i L
i ∆t0
t1
t2
QON QOff
图33(a) [t1~t2]的主要工作波形 Ub
A
U 0
0t
t
t
Vin
L
i L
i ∆t0
t1
t2
QON QOff
图3.3(b) [t1~t2]的主要工作波形
d
M
I E
U R -=0
由图6易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为30V；而当α=1时，IGBT有最大电流，其值为1A。

故需选择集电极最大连续电流Ic>1A，反向击穿电压Bvceo>30V的IGBT。

而一般的IGBT基本上都可以满足这个要求。

(4)二极管
当α=1时，其承受最大反压30V；而当α趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择额定电压大于30V，额定电流大于1A的二极管。

(5)主电路的设计除了要选择IGBT和二极管，还需要确定电感的参数，但电感参数的计算是非常复杂的，在此对电感不予计算，认定电感值L很大。

第四章 控制电路设计
4.1 控制电路原理
为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标，需要对变化器进行闭环控制。

其工作原理为：输出电压采样与电压基准送到误差放大器，其输出经过一定的补偿后与锯齿波，即调制波进行交截来控制占空比，从而控制开关管Q 的通断，控制输出电压的稳定，同时还有具有一定的抑制输入和负载扰动的能力。

图4.1为闭环控制电路的基本原理图。

+
-Vin
Q
f
C f
L R
D
Uo
A
H(s)
Vref
+-Gc(s)
脉宽调制
图4.1 Buck 电路闭环控制基本原理图
Gc(s)
1/Vm
Gvd(s)
Gvg(s)Zout(s)
H(s)
)
s (ref V ^
)
(v ^
s e
)
(v ^
s c
)
(d ^
s )
(v ^
s )
()s (H v ^
s )
(v
^
s g
)
(i
^
s load
+
+
+--环路增益：T(s)=H(s)Gc(s)Gvd(s)/Vm
T(s)
为了实现闭环控制，为了进一步研究参数对闭环控制的影响，建立PWM 型DC/DC 变换器的小信号模型，如图4.2所示。

Gc(s)为补偿器的传递函数，Gvd(s)为低通滤波器的传递函数，Vm 为载波信号的峰峰值。

从小信号模型分析，其环路增益T(s)=H(s)Gc(s)Gvd(s)/Vm 。

要到到闭环控制的目的，其环路增益T(s)要满足一定的条件：
① 环路增益在低频段要有高增益，呈现积分特性，使系统成为误差系统；
② 环路增益在中频段要提供足够的相角裕度，使系统稳定； ③ 环路增益在高频段要具有-40dB/Dec 的斜率，以抑制高频干扰。

4.2 电路设计
（1）确定环路增益的截止频率fc
为了使系统响应速度较快，那么fc 越大越好；为了抑制开关频率出的干扰，fc 取的越小越好。

因此，fc 要这种考虑。

通常取fc=(1/4~1/6)fs 。

这里取fc=1/5fs=40KHz 。

由|Gvd(40KHz)|=0.212得：
717.4212.0/1)f (G |/1V /|)f (H )f (G |c vd m c c c === 若参考电压Vref=5V ，则H(s)=5/24；又取Vm=2.4V ，那么：
54.342.4/(5/24)
4.717H (fc)/V 717.4|)fc (Gc |m =⨯==
（2）环路增益低频段要有高增益
由Gvd(s)的幅频特性曲线可知，在低频段增益较低，因此要通过补偿电路提供积分环节，这样提高了系统的型别，使系统成为误差系统。

（3）环路增益高频迅速衰减
通过补偿电路增加2个极点，一个用来消除ESR 所引起的零点的影响，另一个用来使高频段以-40dB/Dec 的斜率衰减。

（4）环路增益要有足够的相角裕度
通过补偿电路增加2个零点，对二阶震荡环节的相位进行补偿，从而获得足够的相角裕度。

综上所述，补偿电路采用双零双极和积分环节的电路，补偿电路如图4.5所示
Vout
Rf1
Rf2
R1
R2
C2
Vref Ve
C1
R3
C3Compensator
图4.5 补偿电路图
从图4.4的补偿电路图可得：
)
s/1)(s/1()
/s 1)(s/1(s )s (Gc 2p p12z z11ωωωωω++++=
（式4-2）
其中，3
1312
2p 2
31p 3122z 1
21z 3111C C C C R 1C R 1)
R R (C 1C R 1)
C C (R 1+=
=
+=
=
+=
ωωωωω，，，，
4.3 PWM 控制原理与波形
本次课程设计采用的是PWM 方式控制全控型器件IGBT 的通断，主要使用的是脉宽
调制器SG3525产生PWM 波形，在电路设计时，由于输出电压Ui 是20-30V 的直流可调电压，而输出是12V 的恒定电压，电路需采用电压闭环的方式设计；于是我考虑到使用负反馈的思想，通过电路输出电压的大小，反馈给脉宽调制器SG3525，脉宽调制器SG3525通过反馈来的电压值来产生PWM 波形，而反馈电压值的大小决定了PWM 波形的脉宽，从而实现IGBT 的通断。

PWM 原理波形如图4.6所示。

在电路设计中，脉宽调制器SG3525的正向输入端1接入载波信号，为三角波；在其反向输入端2接入主电路输出电压，即为信号波。

SG3525通过这2个端口的电压值比较产生PWM 控制信号，可以设定好三角波的幅值以及斜率，例如当主电路输入电压为30V 时，此时的占空比应该为0.5；当输入电压为20V 时，此时的占空比应该为0.75。

而输出电压恒定为12V ，当输出电压高于这个值时，产生的PWM 信号脉宽会减小，从而占空比减小，输出电压降低；当输出电压低于这个值时，产生的PWM 信号脉宽会增加，从而占空比加大，输出电压增加，最终维持在15V 恒定的水平，达到了设计的要求。

图4.6 PWM方式波形图
课程设计总结
通的紧张的一周积极准备和不断地实验，翻阅大量的相关资料，以及在网上不断的收索学校，终于完成了本次电力电子课程设计“BUCK变换器的研究与设计”的设计任务。

在设计中，遇到了不少困难与问题，但最终在自己的努力和同学的帮助下都一一化解。

可以说本次的课程设计，对自己来说，不仅是一次知识上的扩展，更是意志与信心上的一种锻炼，学习如何完成一个项目。

在选择题目时，选择是基于BUCK变换器的研究与设计，认为比较简单，但当开始着手准备时候，缺发现事情并非如此，首先是题目不仅仅要求设计一个简单的BUCK 电路，要求有可调稳压电源设计、降压斩波主电路、脉宽调制电路及驱动电路设计。

其中还要求应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，如何选择，如何计算……种种问题摆在眼前。

经过翻阅资料，上网查看学习，对各个部分都有一定的了解，比如：可调稳压电源设计中，我查阅以前大二时做过的直流稳压电源课程设计，有一定的经验后者设计起来就不会太难。

对于降压斩波主电路设计，在学习电力电子技术这门课程时候学习过相关知识，也比较好做。

最难的就在于脉宽调制电路及驱动电路设计，经过不懈的努力，结合自动控制原理课程，查考网上的原理，设计出控制电路解决这一难题。

本次设计实现了BUCK变换器简单的运用，对有关电力电子的知识有进一步的认识与了解，对自己的综合能力的提高起到很大的助力，相信这次经历对自己在今后的课程设计中有很大的帮助。

参考文献
1．周克宁《电力电子技术》机械工业出版社，2004；2．王兆安、黄俊《电力电子技术》第五版机械工业出版社，2008；3．李宏《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》（1～4册）
机械工业出版社，2001；4．王维平《现代电力电子技术及应用》东南大学出版社，1999；5．叶斌《电力电子应用技术及装置》铁道出版社，1999；
6.王水平、贾静《开关稳压电源原理及设计》人民邮电出版社，2008；
7.周志敏、周纪海《现代开关电源控制电路设计及应用》人民邮电出版社，2005；
8.王正谋、朱力恒《protel 电路设计与仿真技术》福建科学技术出版社，2004。

附图。