汽车电子系统降压型BUCK变换器的设计技巧
汽车电子系统降压型BUCK变换器
的设计技巧
目前高频高效的DCDC 变换器在汽车电子系统中的应用越来越多。
高的开关频率可以使用较小的功率电感和输出滤除电容，从而在整体上减小的系统的尺寸，提高系统的紧凑性，并降低系统的成本;高的工作效率可以提高汽车电池的使
用时间，降低系统的功率损耗，从而减小系统的发热量，优化系统的热设计，并进一步提高系统的可靠性。
但高的开关频率会降低系统的工作效率，因此在设计时必须在开关频率和工作效率之间作一些折衷处理。本文主要针对DCDC 降压型BUCK 变换器应用于汽车电子系统时，探讨包括上述问题在内的一些设计技艺和注意事项，而且这些问题往往是工程现在设计时容易忽略的细节。
1 实际的最小及最大输入工作电压
1.1 开关频率
开关频率必须在效率，元件的尺寸，最小的输入与输出电压差，最大输入电压之间进行折衷处理。高的开关频率
BUCK变换器设计
BUCK变换器设计报告 一、BUCK变换器原理 降压变换器（Buck Converter）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源。 二、BUCK主电路参数计算及器件选择 1、BUCK变换器的设计方法 利用MATLAB和PSPICE对设计电路进行设计，根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真，再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计，比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等，选取性能优良的模型进行电路搭建。 2、主电路的设计指标 输入电压：标称直流48V，围43~53V 输出电压：直流24V，5A 输出电压纹波：100mV 电流纹波：0.25A
开关频率：250kHz 相位裕量：60° 幅值裕量：10dB 3、BUCK主电路 主电路的相关参数： 开关周期：T S= s f 1=4×10-6s 占空比：当输入电压为43V时，D max=0.55814 当输入电压为53V时，D min=0.45283 输出电压：V O=24V 输出电流I O=5A 纹波电流：Δi L=0.25A 纹波电压：ΔV L=100mV 电感量计算：由Δi L= 2L v- V o max - in DT S 得： L= L o max - in i 2v- V ΔD min T S= 25 .0 2 24 53 ? -×0.4528×4×10-6=1.05× 10-4H
电容量计算：由ΔV L =C i L 8ΔT S 得： C= L L V 8i ΔΔT S = 1 .0825 .0?×4×10-6=1.25×10-6F 而实际中，考虑到能量存储以及输入和负载变化的影响，C 的取值一般要大于该计算值，故取值为120μF 。 实际中，电解电容一般都具有等效串联电阻，因此在选择的过程中要注意此电阻的大小对系统性能的影响。通常钽电容的ESR 在100毫欧姆以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR 甚至高达数欧。ESR 的高低与电容的容量、电压、频率和温度等多因素有关，一般对于等效串联电阻过大的电容，我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。此处取R ESR =50m Ω。 4、主电路的开环传递函数 in ESR ESR V sC R R sL sC R R s d ) 1//() 1 //()(s V s G O vd +++==）（）（ ) (s )1(C 1)1(s G 2 vd C R R L R R L s V C sR ESR ESR in ESR +++++=）（ in 0 2 V Q s s 11)(G 2 ωωω++ + = z vd s s ESR z CR 1 =ω
第三章01-降压型直流变换器.
第二节降压型开关电源 第三章直流变换器 * VT "Ln lk? 第二节降压型开关电源 (&5祥Sfi开关电8电》图 4 0 t ----- t onr- J ???0 ;aa) VT—高频晶体开关管， 工作在：导通饱和状态 ?止状态 起开关作用，可用M OS管和IGBT管代 替; 开关管与负载RL侧电路相率联，VT的反复 周期性导通和《止，控制了U1是否加到负 ?R L的时间比例，起到斩波作用? VD—续流二极管?当开关管VT截止时? VD 提 供一个称为“续流辭电流的通路?使电感电流 不致迅变中断，避免电感感应出高压而将晶体 管击穿损坏-此续流通路也是电感能 量放出到负载的通路? L—储能电感.有两个作用，能a转换和滤波 C—滤波电容，減小负《电压的脉动成分和?小 输出阻抗? R L—等效负我电阻，用电设备.
lk? + vr __________ 95 ttS生开关电源电路图 + Eo U—输入直流电压?该电压大小不穂定或者有纹波卩0?输出直流电压，纹波小，稳定? 将?个直流电压Ui转换成另 4 0 t ■----- t onr- I ?13 DC-DC升降压电路的几种解决方案 （成都信息工程学院科技创新实验室） WOODSTOCK 前一段时间，本着学习的态度参加了TI杯校赛，做了其中的一个直流升降压的题，作品没做的很好，但是在准备期间，我对各种可行电路都做了尝试，一些心得拿出来与大家分享，也望各路大侠对不妥之处不吝赐教。 我们在实际应用中，经常会出现系统中各个模块供电不统一，或者供电电源的电压时变化的（比如汽车中的电池电压受温度影响而变化），在只有一个电源提供供电的时候，同时 可以升压或降压的电路就变得非常有用。下面，来看一下我想到的几种升降压问题的解决方 案。 非隔离式开关电源的基本电路一般有三种：Buck降压电路、Boost升压电路、Buck-boost 极性反转升降压电路。要实现同时升降压功能，首先想到的肯定是Buck-Boost极性反转电 电路。 图表1 极性反转电路原理示意 这种拓扑结构的电路能够输出与输入相反的、可以比输入电压更高或者更低的电压，并且整 体的效率也很高。但缺点也很明显：一就是极性相反，当输入电压是正压且要求输出也是正的时候，我们还要对输出电压进行反向，这就是一件很麻烦的事；但是，有时我们需要的就 是负压的时候，这个缺点又会有一种很大的用处。缺点二就是，这种拓扑结构电路的电流脉 动值很大，输出滤波不好处理。在实际制作中，我选择了用TI的Buck型降压芯片TPS5430 来做开关管以及驱动的部分，更方便控制，简化了电路。还有一个缺点是，这种电路不方便 数控，而且没法直接用AD采输出电压。下面这个是我做的一个控制TPS5430反馈的电路。 常见的来解决这个问题的还有另外一种电路，就是把boost电路和buck电路结合起来。 但是怎样结合？方法有很多种。 第一种，直接拼接。比如输入电压时5-12V,输出电压要10V,那么我们就可以使用升压 电路将输入电压统一升到13V，然后再使用电压可调节的降压电路来提供输出电压。在做这个方案时，我升压用了TI的TPS61175输入范围是3-18V，输出范围是3-65V，最大输出电流时3A。降压同样用了TPS543O 图表3 TPS5430降压电路 BUCK变换器设计报告 一、BUCK主电路参数计算及器件选择 1、BUCK变换器设计方法 利用计算机设计BUCK变换器，首先要选取合适的仿真软件。本文采用MATLAB和PSIM设计软件进行BUCK变换器的综合设计。在选取好设计软件之后，先根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真。如果开环仿真结果不能满足设计要求，再考虑选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计。 设计好闭环控制器后，对其进行闭环函数的仿真，选取超调小、调节时间快的闭环控制器搭建模型进行电路仿真。 2、主电路的设计 根据设计指标，采用BUCK电路作为主电路，使用MOSFET元件作为开关元件，这是因为MOSFET的开关速度快，工作频率高，可以满足250khz的开关频率，此外，MOSFET与其他开关器件最显著的不同，是MOSFET具有正温度系数，热稳定性好，可以并联使用，其他开关器件不具有此特性。 （1）BUCK电路的主电路的拓扑图： （2）主电路的基本参数计算: 开关周期：Ts=1/f s=4?10?6s =0.5 占空比(不考虑器件管压降)：D=v0 v in =0.5581 V in=43V时，Dmax=v0 v in =0.4528 V in=53V时，Dmin=v0 v in 输出电压：V o=24V； 输出电流：Io=0.25A; 额定负载：R=V o÷Io=4.8Ω 纹波电流：△I=0.25A； 纹波电压：△V=100mV 电感量理论值计算： 由： ， 得： ，电容量理论值计算： 由：，得 考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故取C=120uF. 由于电解电容一般都具有等效串联电阻R esr,因此在选择的过程中需要注意此电阻的大小对系统性能的影响。一般对于等效串联电阻过大的电容，我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。取R esr=50mΩ。 直流变换器的设计（降压） 一、设计要求： (1) 二、题目分析： (1) 三、总体方案： (2) 四、原理图设计： (2) 五、各部分定性说明以及定量计算： (5) 六、在设计过程中遇到的问题及排除措施： (6) 七、设计心得体会： (6) 直流变换器的设计（降压） 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。 一、设计要求： 技术参数：输入直流电压Vin=36V 输出电压Vo=12V 输出电流Io=3A 最大输出纹波电压50mV 工作频率f=100kHz 二、题目分析： 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。 课程设计步骤分析（顺序）： 1.设计主电路，主电路为：采用BUCK变换器，主功率管用MOSFET； 2.选择主电路所有图列元件，并给出清单； 3.设计MOSFET驱动电路及控制电路； 4.绘制装置总体电路原理图，绘制： MOSFET驱动电压、BUCK电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形； 5.编制设计说明书、设计小结。 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 - 南京工程学院 自动化学院 电力电子技术课程设计报告 题目： Buck变换电路的设计 专业：自动化 班级：自动化 124 学号： 8 姓名：陈猛 指导教师：赵涛 起迄日期：—— 设计地点：工程中心4-207 目录 1 引言 2 设计任务及要求 设计任务 设计内容 3 设计方案选择及论证 控制芯片的选择 驱动芯片的选择 4 总体电路设计 5 功能电路设计 主电路的设计 驱动电路的设计 控制电路的设计 辅助电源的设计 6 电路仿真与调试 7 设计总结 8 参考文献 BUCK变换电路设计 1 引言 本次电力电子装置设计与制作，利用Buck降压斩波电路，使用 TL494作为控制芯片输出脉冲信号从而控制MOS管的开通与关断。为了将MOS管G极和S极隔离，本设计采用了集成的驱动芯片。另外本设计还加入了反馈环节，利用芯片自身的基准电压与反馈信号进行比较来调节输出脉冲的占空比，进而调整主电路的输出电压维持在一个稳定的电压状态。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路。 2 设计任务及要求 设计任务： 设计一降压斩波电路，采用BUCK电路。输入直流电源：DC18~30V，输出电压为输入电压50%~100%可调：输出额定电流2A，电流峰峰值不大于，输出电压纹波不大与5%。 设计内容： 1）主电路的设计，器件的选型，电感和输出电容的选择； 2）驱动电路、检测电路和保护电路设计； 3）辅助电源设计，要求提供 DC15V 驱动电源和 5V 控制电源； 4）控制电路的设计，不同频率、不同脉宽 PWM 波的实现。 5）制作驱动和主电路； 6）利用提供的控制信号，完成 BUCK 电路的驱动和主电路和调试。 3 设计方案选择及论证 控制芯片的选择 方案一：采用SG3525芯片。它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采 运动控制系统 课程设计 题目：Buck变换器实现及其调速系统设计与调试 院系： 班级： 姓名： 学号： 指导老师： 日期： 摘要 (3) 第一章概述 (3) 第二章设计任务及要求 (4) 2.1实验目的 (4) 2.2实验内容 (4) 2.3设计要求 (4) 2.4课程设计基本要求 (5) 第三章BUCK变换器的工作原理和各种模型 (6) 3.1B UCK变换器介绍 (6) 3.2B UCK变换器电路拓扑 (6) 3.3PWM控制的基本原理 (7) 第四章MATLAB仿真模型的建立 (9) 4.1MATLA仿真软件介绍 (9) 4.2B UCK电路模型的搭建 (9) 4.3B UCK变换器在电机拖动控制系统中的设计与仿真 (12) 4.3.1直流电机的数学模型 (12) 4.3.2系统在开环情况下的仿真 (13) 4.3.3 系统在闭环情况下的仿真 (14) 第五章总结与体会 (18) 变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压从而改变电机的转速。即需要有一个可控直流源，常用的为直流斩波或者脉宽调制器，其通过电力电子开关控制及电容、电感的充放电及二极管的续流组成直流斩波电路（DC），实现输出电压可控，即升压（BOOST）、降压（BUCK）。本实验主要针对降压斩波电路（BUCK）进行实验分析。实验采用MATLAB作为仿真软件，利用PWM 波驱动降压斩波电路为直流电动机提供驱动电压，并通过调节PWM波的占空比来调节电动机的启动电压使达到调节电动机转速的电路设计。 关键词：S-Function；PWM调制；Buck变换器；闭环控制；直流电动机 第一章概述 直流变换技术（亦称直流斩波技术，DC-DC），作为电力电子技术领域非常活跃的一个分支，在近几年里，得到了充分的发展。随着电动牵引技术的发展，特别是电子信息类产品的大量涌现，直流变换技术已经广泛应用于生产，生活的各个领域。由于其有良好的可操作性，被大量应用到电机的调速系统中，很好的解决了电动机调速的不可控性。 BUCK电路作为一种最基本的DC-DC变换电路，由于其简单、实用性在各种电源产品中均得到广泛的应用。其电路主要器件有电力电子开关（IGBT或MOSFET）、电感、电容、续流二极管。通过对开关的调节控制电压，其一般采用软开关控制方法，即采用脉宽调制技术（ＰＷＭ），通过改变占空比来调节输出电压的大小。其与直流调速系统组成的脉宽调制变换器—直流电机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即ＰＷＭ直流调速系统。存在：１）主电路简单、功率器件少；２）开关频率高、电流容易连续、谐波小；３）低速性能好、稳态精度高；４）低速性能好，稳态精度高，动态抗干扰能力强等优点。 使用MATLAB等仿真分析，再做实物研究，已经逐渐成为电力电子技术研究的主要方法。 本次课程设计使用MATLAB友好的工作平台和编辑环境进行模型编辑工作，运用它的s函数编辑一个简单的脉冲发生器，要求它的占空可调；运用数学处理功能来处理仿真时的实时数据，利用传递函数构造直流电机转速的数学模型，运用它广泛的模块集合工具箱里的Simulink进行电路模型搭建和系统仿真，控制电路的占空比从而控制输出电压的大小，进而调节电机的转速，同时采用负反馈的控制方式，调节转速在一个恒定值。 降压式变换电路（Buck电路）详解 一、BUCK 电路基本结构 开关导通时等效电路开关关断时等效电路 二、等效的电路模型及基本规律 （1）从电路可以看出，电感L 和电容C 组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过，而抑制us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压uo(t)就是us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。 （2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上输出的直流电压Uo 有：电容上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面 周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。（4）开关S 置于1 位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S 置于2 位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：此增量将产生一个平均感应电势：此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种 课程名称：电力电子技术 题目：BUCK变换器设计 9 目录 第一章概述 (5) 1.1 本课题在国内外的发展现状与趋势 (5) 第二章Buck变换器设计总思路 (6) 2.1 电路的总设计思路 (6) 2.2 电路设计总框图 (6) 2.3 总电路图 (7) 第三章BUCK主电路设计 (8) 3.1 Buck变换器主电路基本工作原理 (8) 3.2 主电路保护（过电压保护） (9) 3.3 Buck变换器工作模态分析 (10) 3.4 Buck变换器元件参数 (12) 3.4.1 占空比D (12) 3.4.2 滤波电容C f (13) 3.5 Buck变换器仿真电路及结果 (14) 第四章控制和驱动电路模块 (15) 4.1 SG3525A脉宽调制器控制电路 (15) 4.1.1．SG3525简介 (15) 4.1.2．SG3525内部结构和工作特性 (15) 4.2 SG3525构成的控制电路单元电路图 (18) 4.3 驱动电路设计 (18) 第五章课程设计总结 (19) 第六章附录 (20) 第七章参考文献 (21) 第一章概述 1.1 本课题在国内外的发展现状与趋势 从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。 有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。因此，其转换效率始终没有突破90%大关。 为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利。它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于 forward电路拓朴的有源箝位。这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内 电子科技大学中山学院新型电源设计实践报告 设计名称基于BUCK变换器的开关电源设计 学院机电学院 班级 14级电气A班 学号姓名 2014100500521 刘连红 指导教师余翼 机电工程学院 2017年 12月 27日 一、设计要求与内容 开关电源是20世纪60年代电源历史上的一次革命，它安装于各种家用电器、工业设备及军用电子装置中，同时作为赋能装置应用于各个领域。比如在电力系统中的应用、在通信领域中的应用、在蓄电池充电中的应用、在风能\太阳能发电中的应用。这次我们要求设计一个9-12V的情况下，通过一个开关电源得到一个稳定的5V/1A的直流输出。我们要求这个开关电源有整流的功能，同时通过反馈控制，有稳压，调压，降压的功能。从而得到稳定的一个直流输出。 二、人员分工与时间安排表 三总体方案设计与论证 3.1 设计思路和流程 1.经过题目选定，确定使用基于BUCK变换器的电源设计。 2.在方案选择过程中，因为考虑到是非隔离电源，使用集成PWM调制芯片简化电路设计。 3.在分析了UC3842，SG3525等芯片的功能与参数后，选择MC34063作为控制方案，该芯片本身也有较强的驱动能力，可直接外接滤波电路与反馈电路来进行电源设计。 4.通过外接场效应管的方式极大增强了驱动能力，该场效应管最大电流可到达17A以上，设计中仅利用不到1A，如果更换滤波电路中的元器件，输出功率可以得到数倍的提升。如果将采样电阻改为电位器，还可以灵活调节输出电压。 3.2 开关电源总电路框图 图3-1 开关电源总电路框图 四、开关电源原理图各部分说明及计算 4.1总原理图的介绍 开关电源是指调整管工作在开关方式，只有导通和截止两个状态，上图为工作过程。 基准电压为固定值，由于输入波动或负载变化导致输出电压减小，采样电压将减小，经过比较放大后，脉冲调制电路根据这个误差，提高占空比使输出电压增大。同理，当由于输入波动或负载变化导致输入电压增大时，脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小，以此来控制输出电压的稳定。 4.2 各部分的说明与计算 Buck 变换器的环路设计 1． 功率级传递函数 R1L1 Q1 buck 变换器功率级电路示意图 其传递函数为 1 )(1121+??++??+??=s C R ESR s C L s C ESR V V out out out i o 分子为一阶微分环节，有一个零点，其转折频率为 out zero C ESR f ?=π21 分母为二阶积分环节， 其阻尼系数1 2L C R out =ζ，其中ESR R R +=1 当1>ζ时，系统为过阻尼状态，有两个不同的极点。 当1=ζ时，系统为临界阻尼状态，有两个相同的极点。 当1<ζ时，系统为欠阻尼状态，有两个共轭的复数极点。 在DCDC 变换器中，为了获得较高的效率，会尽可能的减小R 的值，所以通常系统都是处在欠阻尼状态。 10 2103104105-40-20 20 102103104105 -200-150 -100 -50 典型的buck 变换器功率级幅频和相频特性曲线。 参数：Cout=100uF ，L1=2.2uH ，ESR=1m Ω,R1=10m Ω 在功率级的传函中，有一个由ESR 和Cout 构成的零点。当ESR 比较小时，幅频曲线在转折频率后会以-40db/dec 衰减，相频曲线也会由0deg 急剧的下降为－180deg 。在控制回路的环路补偿中就必须增加额外的相位超前补偿，否则不能满足要求的相位裕度。 当ESR 较大时，由ESR 和Cout 组成的零点会抵消到一个极点，控制回路中不需要额外的相位超前补偿，就能满足要求的相位裕度。 下图为ESR=100m Ω（其余参数相同）的幅频和相频特性曲线。可以看出，其相位最低降到-100deg ，尚有80deg 的相位裕度。 Buck变换器：也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。 图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/Ts。 Boost变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。 开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输入侧，称为升压电感。Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式 Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。 Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式。 LDO的特点： ①非常低的输入输出电压差 ②非常小的内部损耗 ③很小的温度漂移 ④很高的输出电压稳定度 ⑤很好的负载和线性调整率 ⑥很宽的工作温度范围 ⑦较宽的输入电压范围 ⑧外围电路非常简单，使用起来极为方便 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。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类： (1)Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压 U0小于输入电压Ui，极性相同。 n LCD Monitor and LCD TV n Portable instrument power supply n Telecom / Networking Equipment component count. Figure1. Package Type of XL4015 Pin Configurations Figure2. Pin Configuration of XL4015 (Top View) Table 1 Pin Description Pin Number Pin Name Description 1 GND Ground Pin. Care must be taken in layout. This pin should be placed outside of the Schottky Diode to output capacitor ground path to prevent switching current spikes from inducing voltage noise into XL4015. 2 FB Feedback Pin (FB). Through an external resistor divider network, FB senses the output voltage and regulates it. The feedback threshold voltage is 1.25V . 3 SW Power Switch Output Pin (SW). SW is the switch node that supplies power to the output. 4 VC Internal V oltage Regulator Bypass Capacity. In typical system application, The VC pin connect a 1uf capacity to VIN. 5 VIN Supply V oltage Input Pin. XL4015 operates from a 8V to 36V DC voltage. Bypass Vin to GND with a suitably large capacitor to eliminate noise on the input. (完整)BUCK电路方案设计 编辑整理： 尊敬的读者朋友们： 这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)BUCK电路方案设计）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。 本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)BUCK电路方案设计的全部内容。 项目2 项目名称基于PWM控制 Buck变换器设计 一、目的 1．熟悉Buck变换电路工作原理，探究PID闭环调压系统设计方法。 2．熟悉专用PWM控制芯片工作原理， 3．探究由运放构成的PID闭环控制电路调节规律，并分析系统稳定性。 二、内容 设计基于PWM控制的Buck变换器，指标参数如下： ?输入电压：9V～12V； ?输出电压:5V，纹波<1%； ?输出功率：10W ?开关频率：40kHz ?具有过流、短路保护和过压保护功能,并设计报警电路。 ?具有软启动功能。 ?进行Buck变换电路的设计、仿真（选择项)与电路调试。 三、实验仪器设备 1. 示波器 2。稳压电源 3。电烙铁 4. PC817隔离 5. 计算机 6。 PWM控制芯片SG3525 7。 IRF540_MOSFET 8。 MUR1560快恢复整流二极管 9。 74HC74N_D触发器 10。 LM358放大器 11。万用表 12. 电容、电感、电阻 四、研究内容 （一）方案设计 基于PWM控制的Buck变换器主要由五部分构成，功率主电路、PWM发生电路、MOSFET 驱动电路、隔离电路和保护电路组成。Buck变换器的基本控制思路框图如图1。1所示，总体电路图如图1.2所示。 图1.1 Buck变换器控制框图 图1.2 总体电路图 1、功率主电路 buck电路的原理 降压式变换电路（Buck电路）详解 一、BUCK电路基本结构 开关导通时等效电路开关关断时等效电路 二、等效的电路模型及基本规律 （1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过，而抑制us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压uo(t)就是us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。 （2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上 输出的直流电压Uo有：电容 上电压宏观上可以看作恒 定。 电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。 这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S 置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于 电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为： 此增量将产生一个平均感应电势： 此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的 下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一 个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。 这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平 均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。 这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。 三、电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析 降压变换器的基本工作原理 在汽车中，有些照咖是由单个LED担任的，如顶灯、地图灯、行李箱照明灼。以 及门灯等。一只白光LED的正向压降为3—4V，汽车由蓄电他提供的内部电压，一舱 为12—14V，这就出现了输入电压远远超过LED所需要的情况。如果采用线性稳压器通过降压来驱动L四，必然会出现电源功率转换效率过低的问题。为此，必须采用开 关型DC仍C降压变换器，宅既为LED提供所需的低压电源、恒定的电流，又能有较 高的转换效率。降压变换器(BuCk)又称串联开关稳压器或开关型降压稳压器。下面介 绍降压变换器的基本电路拓扑和它的工作原理。降压变换器的电路形式及工作原理 降压变换器的电路形式如图所示 是开关管，VD是开关二极管，在VT截正期间，为电感电流提供继续流通的通路。由图见，输入和输ABC电子出在电气上是直接相通的，无隔离，属于非隔离型功率变换器。为分析简便起见，在电路的工作频率较高、电感工和电容Co较大时，输出 电压和流过二极管的电流可以视为稳定不变的，艾博希电子分别以定位RO、Jo表尔 当VT导退时，由于假定输入、输出电压是同定的，电感两端电压差RD厂RO也是一 个定值，这样，流过电感L的电流将按线性斤升，由初始的最小位即谷值JV直线上升，到开关管VT导通结束时，达到最大值人MM即峰值JP。 如VT的导通时间为则有：小当VT截女时，电感力图维持其电流不变。在电感 两端将产生感应电动势，极性为右正左负，与VT导通时的极性如图恰好相反。它使二极管w导通，为电感电流提供续流远路，此后，出其最大值／LMM(JP)线性卜降。如 果VT的截止时间为ROR，且在电感电流连续导通模式(CCM)下，则在截止期结束时，电感电流由峰值JP产降到谷值JV，并满足以下关系：价(k丛)RO；生JL＝Bp RO；在上面诺式中，7为开关周期，D为开关管的占空IC现货商比，o＝RJ厂，其值小于1，D越小，输出电压RO越小。由式(5—4)可见，输出电压RO与占空比D呈线性关系，D大，输出电压亦大；此外，输出电压比输入电压RM低，降压之名即由此而来。 如认为电路中的元件均足理想的、无损耗的，则电路的功率转换效率为1或如可见，输出电流的平均值要比输入电流的平均值大。同样可以证明，在YT截止期间，如 电感电流F降到军，电感电流将表现为不连续的状态(DCM)，即每次开关管导通时， 《运动控制系统》 课程设计报告 设计题目：Buck变换器实现及调速系统设计与实践班级： 姓名： 学号： 指导教师： 设计时间： 目录 摘要 第一章...........................................................概述 . (2) 第二章设计任务及要求 (3) 2.1 实验目的 (3) 2.2 实验内容 (3) 2.3 设计要求 (4) 2.4实验（设计）仪器设备和材料清单 (4) 2.5 课程设计基本要求 (4) 第三章BUCK变换器的工作原理和各种模型 (4) 3.1 Buck变换器介绍 (4) 3.2 Buck变换器电路拓扑 (5) 3.3 PWM控制的基本原理 (6) 第四章MATLAB仿真模型的建立 (7) 4.1 MATLAB仿真软件介绍 (7) 4.2 BUCK电路模型的搭建 (7) 4.3 Buck变换器在电机拖动控制系统中的设计与仿真 (10) 4.3.1直流电机的数学模型 (10) 4.3.1系统在开环情况下的仿真 (12) 4.3.1系统在闭环情况下的仿真 (12) 第五章总结与体会 (15) 参考文献 (15) 摘要：变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压从而改变电机的转速。即需要有一个可控直流源，常用的为直流斩波或者脉宽调制器，其通过电力电子开关控制及电容、电感的充放电及二极管的续流组成直流斩波电路（DC），实现输出电压可控，即升压（BOOST）、降压（BUCK）。本实验主要针对降压斩波电路（BUCK）进行实验分析。实验采用MATLAB作为仿真软件，利用PWM波驱动降压斩波电路为直流电动机提供驱动电压，并通过调节PWM波的占空比来调节电动机的启动电压使达到调节电动机转速的电路设计。 关键词：S-Function；PWM调制；Buck变换器；闭环控制；直流电动机 第一章概述 直流变换技术（亦称直流斩波技术，DC-DC），作为电力电子技术领域非常活跃的一个分支，在近几年里，得到了充分的发展。随着电动牵引技术的发展，特别是电子信息类产品的大量涌现，直流变换技术已经广泛应用于生产，生活的各个领域。由于其有良好的可操作性，被大量应用到电机的调速系统中，很好的解决了电动机调速的不可控性。 BUCK电路作为一种最基本的DC-DC变换电路，由于其简单、实用性在各种电源产品中均得到广泛的应用。其电路主要器件有电力电子开关（IGBT或MOSFET）、电感、电容、续流二极管。通过对开关的调节控制电压，其一般采用软开关控制方法，即采用脉宽调制技术（ＰＷＭ），通过改变占空比来调节输出电压的大小。其与直流调速系统组成的脉宽调制变换器—直流电机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即ＰＷＭ直流调速系统。存在：１）主电路简单、功率器件少；２）开关频率高、电流容易连续、谐波小；３）低速性能好、稳态精度高；４）低速性能好，稳态精度高，动态抗干扰能力强等优点。 使用MATLAB等仿真分析，再做实物研究，已经逐渐成为电力电子技术研究的主要方法。 本次课程设计使用MATLAB友好的工作平台和编辑环境进行模型编辑工作，运用它的s函数编辑一个简单的脉冲发生器，要求它的占空可调；运用数学处理功能来处理仿真时的实时数据，利用传递函数构造直流电机转速的数学模型，运用它广泛的模块集合工具箱里的Simulink进行电路模型搭建和系统仿真，控制电路的占空比从而控制输出电压的大小，进而调节电机的转速，同时采用负反馈的控制方式，调节转速在一个恒定值。 B U C K变换器设计报告 一、BUCK变换器原理 降压变换器（Buck Converter）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源。 二、BUCK主电路参数计算及器件选择 1、BUCK变换器的设计方法 利用MATLAB和PSPICE对设计电路进行设计，根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真，再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计，比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等，选取性能优良的模型进行电路搭建。 2、主电路的设计指标 输入电压：标称直流48V，范围43~53V 输出电压：直流24V，5A 输出电压纹波：100mV 电流纹波： 开关频率：250kHz 相位裕量：60° 幅值裕量：10dB 3、BUCK主电路 主电路的相关参数： 开关周期：T S= s f 1=4×10-6s 占空比：当输入电压为43V时，D max= 当输入电压为53V时，D min=输出电压：V O=24V 输出电流I O=5A 纹波电流：Δi L= 纹波电压：ΔV L=100mV 电感量计算：由Δi L= 2L v- V o max - in DT S得： L= L o max - in i 2v- V ΔD min T S= 25 .0 2 24 53 ? -××4×10-6=×10-4H 电容量计算：由ΔV L =C i L 8ΔT S 得： C=L L V 8i ΔΔT S =1 .0825.0 ×4×10-6=×10-6F 而实际中，考虑到能量存储以及输入和负载变化的影响，C 的取值一般要大于该计算值，故取值为120μF 。 实际中，电解电容一般都具有等效串联电阻，因此在选择的过程中要注意此电阻的大小对系统性能的影响。通常钽电容的ESR 在100毫欧姆以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR 甚至高达数欧。ESR 的高低与电容的容量、电压、频率和温度等多因素有关，一般对于等效串联电阻过大的电容，我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。此处取R ESR =50m Ω。 4、主电路的开环传递函数 取R ESR =50m Ω，R=Ω，C=120μF ，L=105μH ，V in =48V ， 可得传递函数为： 在MATLAB 中根据开环传递函数画出Bode 图： >> clear >> num0=[,48]; >> den1=[,,1]; >> bode(num0,den1) >> [kg,gm,wkg,wgm]=margin(num0,den1)DC-DC升降压电路的几种个人方案
BUCK变换器设计报告
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