Buck降压式变换器基本结构及原理
B u c k降压式变换器基本结构及原理
一、Bu c k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P WM(Pu l se wi d th m od u la t io n 脉宽调制)信号，信号周期为T s，则信号频率为f=1/T s，导通时间为T o n，关断时间为T of f，则周期Ts=To n+T o ff，占空比D y=T on/Ts。
B u c k变换器有两种基本工作方式：
C C M(C o nt i nu o us c u rr e nt m o de)：电感电流连续模式，输出滤波电感Lf的电流总是大于零
D C M(D i sc o nt i nu o us cu r re n t m od e)：电感电流断续模式，在开关管关断期间有一段时间Lf的电流为零
1.1C CM时的基本关系：
1.2D CM时的基本关系：
D C M可分为两种典型情况：
输入电压Vi n不变，输出电压V o变化，常用作电动机速度控制或充电器对蓄电池的恒流充电
输入电压Vi n变化，输出电压Vo恒定，即普通开关稳压电源
1.3电感电流临界连续的边界：
1.3.1输入电压恒定不变时：Vi n=c o ns t
可画出Bu ck变换器在V i n=c on st时的外特性曲线：
图中虚线为电感电流临界连续的边界，内部为电流断续区，外面为电流连续区。
理想情况下，在电流断续区输出电压仅由占空比Dy确定。实际电路中，因元器件的非理想化，在电感电流的连续区，Bu ck变换器的外特性也是下降的，即I o加大，V o降低。为保持Vo不变，在I o增加时，要适当加大占空比Dy。
1.3.2输出电压恒定不变时：Vo=co n st
可画出Bu ck变换器在V o=c o ns t时的标幺特性曲线：
图中虚线为电感电流临界连续的边界，右上方为电流连续区，左下为电流断续区。
在电感电流临界连续时，若加大负载，则进入电流连续工作区；减小负载，则进入电流断续区。
若负载不变，减小输入电压Vi n，为使V o不变，应加大Dy，也进入电流连续区。
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 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。 Buck 变换器工作原理介绍 2.2.1 Buck 变换器的基本工作原理 Buck 变换器又称为降压变换器，串联稳压开关电源和三端开关型降压稳压电源。其基本的原理结构图如图2.2所示。 G a b c WM V G d 图2.2 Buck 变换器的基本原理图 由上图可知，Buck 变换器主要包括：开关元件M1，二极管D1，电感L1，电容C1和反馈环路。而一般的反馈环路由四部分组成：采样网络，误差放大器（Error Amplifier ，E/A ），脉宽调制器（Pulse Width Modulation ，PWM ）和驱动电路。 为了便于对Buck 变换器基本工作原理的分析，我们首先作以下几点合理的假设[1]： a 、开关元件M1和二极管D1都是理想元件。它们可以快速的导通和关断，且导通时压降为零，关断时漏电流为零； b 、电容和电感同样是理想元件。电感工作在线性区而未饱和时，寄生电阻等于零。电容的等效串联电阻（Equivalent Series Resistance ，ESR ）和等效串联电感（Equivalent Series inductance ，ESL ）等于零； c 、输出电压中的纹波电压和输出电压相比非常小，可以忽略不计。 d 、采样网络R1和R2的阻抗很大，从而使得流经它们的电流可以忽略不计。 在以上假设的基础上，下面我们对Buck 变换器的基本原理进行分析。 如图2.2所示，当开关元件M1导通时，电压V1与输出电压Vdc 相等，晶体管D1处于反向截至状态，电流01=D I 。电流11L M I I =流经电感L1，电流线性增加。经过电容C1滤波后，产生输出电流O I 和输出电压O V 。采样网络R1和R2对输出电压O V 进行采样得到电压信号S V ，并与参考电压ref V 比较放大得到信号。 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 BUCK 变换器轻载时三种工作模式原理及应用 Adlsong 摘要摘要：：降压型Buck 变换器在轻载有三种工作模式：突发模式、跳脉冲模式和强迫连续模式。文中详细的阐述了这三种模式的工作原理， 同时介绍了这三种模式的优点及缺点。 通过滞洄比较器监控输出电压的突发模式开关管工作的时间短，效率高，纹波最大。强迫连续模式电感的电流双向流动，效率最低，纹波最小。跳脉冲模式工作DCM 模式并跳去一些脉冲，效率和纹波介于上述两种模式之间。同时本文给出3.3V 到2.5V 的Buck 变换器电感,输入电容和输出电容的计算和选取方法。 关键词关键词：：突发模式 跳脉冲模式 强迫连续模式 轻载 Abstract: Buck conveter has three modes at light output load: burst mode, pulse skip mode and force continuous mode. The principles of three modes are discussed in detail in this paper. The advantages and disadvantages of three modes are presented and also compared at the same time. The longest off time duration, highest efficiency and highest ouput ripple voltage are featured for burst mode detecting output votage via hysteresis comparator. The least efficiency and least ouput ripple voltage is featured for force continuous mode with positive and negative current through the inductor. The efficiency and ouput ripple voltage of pulse skip mode with skipping some swithching pulse is between that of two modes above. The methods to calculate the inductance, input 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。 Buck变换器原理 Buck变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。 1.线路组成 图1（a）所示为由单刀双掷开关S、电感元件L和电容C组成的Buck变换器电路图。图1(b)所示为由以占空比D工作的晶体管T r、二极管D1、电感L、电容C组成的Buck变换器电路图。电路完成把直流电压V s转换成直流电压V o的功能。 图１Buck变换器电路 2.工作原理 当开关S在位置a时，有图2 (a)所示的电流流过电感线圈L，电流线性增加，在负载R上流过电流I o，两端输出电压V o，极性上正下负。当i s>I o时，电容在充电状态。 这时二极管D1承受反向电压；经时间D1T s后（，t on为S在a位时间，T s是周期），当开关S在b位时，如图2（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流i L不变。负载R两端电压仍是上正下负。在i L0，开关打开时，i s=0，故i s是脉动的，但输出电流I o，在L、D1、C作用下却是连续的，平稳的。 图２Buck变换器电路工作过程 Boost变换器 Boost变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。 1.线路组成 线路由开关S、电感L、电容C组成，如图1所示，完成把电压V s升压到V o的功能。 图１ 2.工作原理 当开关S在位置a时，如图2(a)所示电流i L流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，R上流过电流I o，R两端为输出电压V o，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接V s负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。开关S转换到位置b时，构成电路如2(b)所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持i L不变。这样线圈L磁能转化成的电压V L与电源V s串联，以高于V o电压向电容C、负载R供电。高于V o时，电容有充电电流；等于V o时，充电电流为零；当V o有降压趋势时，电容向负载R放电，维持V o不变。 图２Boost变换器电路工作过程 由于V L+V s向负载R供电时，V o高于V s，故称它为升压变换器。工作中输入电流i s=i L是连续的。但流经二极管D1电流确实脉动的。由于有C的存在，负载R上仍有稳定、连续的负载电流I o。 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. BUCK 变换器的控制技术的研究 一、实验目的 1、理解开环、电压单闭环和电压电流双闭环控制策略的原理，完成系统闭环控制调试； 2、建立变换器的模型，通过仿真和实验掌握电压和电流调节器的参数设计方法； 3、验证BUCK变换器的输入输出波形特性，PWM波形，及输入输出数量关系，加深对BUCK变换器连续和断续工作模态下的工作原理及特性的理解。 二、实验内容 熟悉SG3525的原理及使用方法，理解PWM波产生过程；研究BUCK变换器开环、电压闭环、电压电流双闭环状态下电路各器件，包括功率管、二极管、电感电压电流工作情况，输入输出电量关系，控制电路参数对变换器的性能的影响。观察电压纹波，观察不同电感、频率和负载对电流连续点的影响。理解BUCK 变换器闭环控制过程，掌握闭环性能指标。 变换器的基本要求如下： 输入电压：20~30V 输出电压：15V（输出电压闭环控制时） 输出负载电流：0.1~1A 工作频率：50kHz 输出纹波电压：≤100m V 三、实验仪器 6 电压表 2 7 电流表 2 8 负载 1 四、实验原理 1)BUCK主电路原理图（图1） 图1.BUCK主电路原理图 2)控制电路SG3525内部结构框图（） 图2.SG3525内部结构框图 五、实验步骤 1、将BUCK变换器挂箱的所有开关关闭后再接线。 2、控制电路接20V直流电压，调节电位器RW1，用示波器观察并记录占空比为某一定值时SG3525 各管脚波形及驱动电路输出波形。注意观察SG3525 的9脚、5脚波形和输出波形之间的关系，理解SG3525 芯片PWM 波产生过程。调节RW2观测PWM波频率的变化，通过测得的PWM波计算PWM波频率。 3、控制电路接20V直流电压，主电路接6-30V可调直流电压，可控制开关S4 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 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， 2--Buck直流变换器的工作原理及动态建模 2 Buck直流变换器的工作原理及动态建模 2.1 DC/DC变换器的概念7【】15【】19【】 将一个固定的直流电压变换成可变的直流 电压称之为DC/DC变换，亦称为直流斩波。用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的 动作频率，或者改变直流电流通和断的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流的平均值。Buck变换器又称降压变换器、串连开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。 基本的DC/DC变换器按输入输出之间是否有电气隔离可分为两类：隔离型DC/DC变换器和非隔离型DC/DC变换器。非隔离型DC/DC 变换器中存在四种基本的变换器拓扑，它们是降压式（Buck）型,升压式(Boost)型,升降压式(Buck-boost)型,Cuk型，此外还有Sepic型和Zeta型变换器。 2.2 二电平Buck直流变换器的工作原理及主电路图2【】13【】25【】26【】 1 主电路拓扑 Buck变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成。如图2.1所示： 图2.1 Buck电路主电路拓扑 为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作 如下假定。 (1) 开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间的导通和截至，而且导通时降压为零，截至时漏电流为零。 (2) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。 (3) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 Buck 变换器的工作原理：当开关管S 导通时，电容开始充电，i U 通过向负载传递能量，此时，L i 增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；当S 关断时，由于电感电流L i 不能突变，故L i 通过二极管VD 续流，电感电流逐渐减小，由于二极管VD 的单向导电性，L i 不可能为负，即总有L 0i ,从而可在负载上获得单极性的输出电压。 根据晶体管的开关特性，在管子的基极加入开关信号，就能控制它的导通和截至，对于NPN 晶体管，当基极加入正向信号时，将产生积极电流b i ，基极正向电压电压升高，b i 也随之升高，b i 达到一定数值后，集电极电流c i 达到最大值，其后继续增加b i ，b i 基本上保持不变，这种现象称为饱和。在饱和状态下，晶体管的集射极电压很小，可以忽略不计。因此晶体管的饱和状态相当于开关的接通状态。当基极加入反向偏压时，晶体管截至，集电极电流c i 接近于零，而晶体管的集射极电压接近于电源电压。晶体管的这种状态相当于开关的断开状态，通常称为截至状态，或称为关断状态。 2.3 Buck 变换器的工作模式 5【】8【】27【】29【】 由Buck 变换器的工作原理可以看出，电感可以工作在电流连续的方式下，也可能工作在电流 n Set-up Box n ADSL Modem n Telecom / Networking Equipment Figure1. Package Type of XL1410 Pin Configurations Figure3. Function Block Diagram of XL1410 Figure4. XL1410 Typical Application Circuit System Efficiency Curve Order Information Marking ID Package Type Packing Type Supplied As XL1410E1 XL1410E1 SOP-8L 2500 Units on Tape & Reel XLSEMI Pb-free products, as designated with “E1” suffix in the par number, are RoHS compliant. Absolute Maximum Ratings（Note1） Parameter Symbol Value Unit Input Voltage Vin -0.3 to 20 V Feedback Pin Voltage V FB-0.3 to Vin V EN Pin Voltage V EN-0.3 to Vin V Output Switch Pin Voltage V Output-0.3 to Vin V Power Dissipation P D Internally limited mW Thermal Resistance (SOP8) R JA100 oC/W (Junction to Ambient, No Heatsink, Free Air) Operating Junction Temperature T J-40 to 125 oC Storage Temperature T STG-65 to 150 oC Lead Temperature (Soldering, 10 sec) T LEAD260 oC ESD (HBM) 2000 V Note1: Stresses greater than those listed under Maximum Ratings may cause permanent damage to the device. This is a stress rating only and functional operation of the device at these or any other conditions above those indicated in the operation is not implied. Exposure to absolute maximum rating conditions for extended periods may affect reliability. 课题三：降压型（BUCK）DC-DC电路的设计与制作 姓名：学号：得分： 一、实验目的 1). 学习和了解DC-DC变换电路的特点； 2). 掌握降压型（BUCK）DC-DC电路的结构和工作原理； 3). 熟悉强、弱电电路的隔离应用； 4). 培养电子电路的设计能力和基本应用技能。 二、课题任务 1）设计参数要求： =12V； ① DC-DC主电路输入电压V I ②输出电压: V =5V； O =1A； ③输出电流：I O ④输出电压纹波峰-峰值 V ≤50mV，即纹波≤1%； pp =5W。 ⑤额定输出功率P O 2）PWM驱动信号： =20kHz； ① PWM驱动信号频率f S ② PWM驱动信号占空比可调； 3）驱动电路： 驱动电路应为单端输入、双端浮地输出。 5）撰写完整的实习报告。 三、实验原理 BUCK电路就是降压电路，开关S闭合的时候，VD二极管承受负压关断，电感充电，电流正向流动，电流值呈现指数上升趋势。开关S断开的时候，VD 二极管起续流作用，电感开始放电，电流逐渐下降，通过负载和二极管回到电感另外一端，短暂供电。这样电压就能降低。实际使用的时候，S开关是通过MOSFE 或者IGBT实现的，输出电压等于输入电压乘以PWM波的占空比。 开关电源总的来分有隔离型和非隔离型电路。所谓非隔离型电路是根据电路形式的不同，可以分为降压型buck电路、升压Boost型电路、升降压Buck-Boost 型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电路、Zeta型电路。我们这里主要分析降压型DC-DC转换器的工作原理，Buck电路如图1所示。图中功率MOSFET为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定;L和C为滤波元件;开关截止时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。控制电路输出信号使开关管VT导通时，滤波电感L中的电流逐渐增加，因此贮能也逐渐增大，电容器C开始充电。忽略MOSFET的导通压降，MOSFET源极电压应为Uin。 DC/DC 变换器的概念7【】15【】19【】 将一个固定的直流电压变换成可变的直流电压称之为DC/DC 变换，亦称为直流斩波。用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的动作频率，或者改变直流电流通和断的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流的平均值。Buck 变换器又称降压变换器、串连开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。 基本的DC/DC 变换器按输入输出之间是否有电气隔离可分为两类：隔离型DC/DC 变换器和非隔离型DC/DC 变换器。非隔离型DC/DC 变换器中存在四种基本的变换器拓扑，它们是降压式（Buck ）型,升压式(Boost)型,升降压式(Buck-boost)型,Cuk 型，此外还有Sepic 型和Zeta 型变换器。 二电平Buck 直流变换器的工作原理及主电路图2【】13【】25【】26【】 1 主电路拓扑 Buck 变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成。如图所示： 图 Buck 电路主电路拓扑 为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下假定。 (1) 开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间的导通和截至，而且导通时降压为零，截至时漏电流为零。 (2) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。 (3) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 Buck 变换器的工作原理：当开关管S 导通时，电容开始充电，i U 通过向负载传递能量，此时，L i 增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；当S 关断时，由于电感电流L i 不能突变，故L i 通过二极管VD 续流，电感电流逐渐减小，由于二极管VD 的单向导电性，L i 不可能为负，即总有L 0i ,从而可在负载上获得单极性的输出电压。 根据晶体管的开关特性，在管子的基极加入开关信号，就能控制它的导通和截至，对于NPN 晶体管，当基极加入正向信号时，将产生积极电流b i ，基极正向电压电压升高，b i 也随之升高，b i 达到一定数值后，集电极电流c i 达到最大值，其后继续增加b i ，b i 基本上保持不变，这种现象称为饱和。在饱和状态下，晶体管的集射极电压很小，可以忽略不计。因此晶体管的饱和状态相当于开关的接通状态。当基极加入反向偏压时，晶体管截至，集电极电流 c i 接近于零，而晶体管的集射极电压接近于电源电压。晶体管的这种状态相当于开关的断开 状态，通常称为截至状态，或称为关断状态。 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，范围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： 1=4×10-6s 开关周期：T S= s f 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 .022453?-×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 +++++=）（ B u c k降压式变换器基本结构及原理 一、Bu c k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P WM(Pu l se wi d th m od u la t io n 脉宽调制)信号，信号周期为T s，则信号频率为f=1/T s，导通时间为T o n，关断时间为T of f，则周期Ts=To n+T o ff，占空比D y=T on/Ts。 B u c k变换器有两种基本工作方式： C C M(C o nt i nu o us c u rr e nt m o de)：电感电流连续模式，输出滤波电感Lf的电流总是大于零 D C M(D i sc o nt i nu o us cu r re n t m od e)：电感电流断续模式，在开关管关断期间有一段时间Lf的电流为零 1.1C CM时的基本关系： 1.2D CM时的基本关系： D C M可分为两种典型情况： 输入电压Vi n不变，输出电压V o变化，常用作电动机速度控制或充电器对蓄电池的恒流充电 输入电压Vi n变化，输出电压Vo恒定，即普通开关稳压电源 1.3电感电流临界连续的边界： 1.3.1输入电压恒定不变时：Vi n=c o ns t 可画出Bu ck变换器在V i n=c on st时的外特性曲线： 图中虚线为电感电流临界连续的边界，内部为电流断续区，外面为电流连续区。 理想情况下，在电流断续区输出电压仅由占空比Dy确定。实际电路中，因元器件的非理想化，在电感电流的连续区，Bu ck变换器的外特性也是下降的，即I o加大，V o降低。为保持Vo不变，在I o增加时，要适当加大占空比Dy。 1.3.2输出电压恒定不变时：Vo=co n st 可画出Bu ck变换器在V o=c o ns t时的标幺特性曲线：DC-DC升降压电路的几种个人方案
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