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。
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1.2。
VinUo+-图1.1 Buck 变换器电路Li图1.2 Buck 变换器的主要工作波形1.2 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：dtdiLU U o i =- （式1-1） 电感中的电流线性上升，式1-1可写成：onon on omin omax o i T iL T i i LU 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：dtdiLU 0o =- （式1-3） 电感中的电流线性下降，式1-3可写成：offoff off omin omax off omax omin o T iL T i i L T i i LU ∆=-=--= （式1-4）式中Toff 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 21I omin omax o +=（ （式1-6）1.3 Buck 变化器外特性在恒定占空比下，变化器的输出电压与输出电流的关系Uo=f(io)称为变换器的外特性。
式1-5表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。
当负载电流减小时，可能出现电感电流断续现象。
图1.4为电感电流断续时电流波形图。
由式1-2与式1-4可知，当输入电压和输出电压一定时，i ∆为常数。
由式1-6可见，当负载电流减少到0i omin =时，i i omax ∆=，此时最小负载电流omin I ，即为电感临界连续电流G I ：2ii 21I I omax omin G ∆=== （式1-7）由式1-2及式1-5得i ∆，带入式1-7得：)D 1(D L2TU I i G -=（式1-8） 由上式可见，临界连续电流与占空度的关系为二次函数，当D=1/2时，临界连续电流达到最大值：L8TU I i Gm ax =（式1-9） 当电感电流断续时，即在Toff 结束前续流二极管的电流已下降到0，此时输出的平均电流为：)T i T i 21T 1I 'off 'off on on o ∆+∆⨯=（ （式1-10） 式中，'off T 为开关管关断后电感电流持续的时间，并且：'offo 'off ono i on T U L1i T )U U L 1i ）（（-=∆-=∆ （式1-11） 稳态时，'off on i i ∆=∆，由式1-11得：on ooi 'off T U U U T -=（式1-12） 将式1-11及式1-12带入式1-10得：ooi 2Gmax o U U U D 4I /I -= （式1-13） 即： ）2Gmax o i o D I 4/(I 11U /U +=（式1-14）图1.4 电感电流断续时电流波形可见在电流断续区，输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关，而且与负载电流有关。