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第一章概述1、1 直流―直流变换的分类直流—直流变换器(DC-DC)就是一种将直流基础电源转变为其她电压种类的直流变换装置。
目前通信设备的直流基础电源电压规定为−48V,由于在通信系统中仍存在−24V(通信设备)及+12V、+5V(集成电路)的工作电源,因此,有必要将−48V基础电源通过直流—直流变换器变换到相应电压种类的直流电源,以供实际使用。
D C/DC变换就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。
主要有(1)Buck电路——降压斩波,其输出平均电压小于输入电压,极性相同。
(2)Boost电路——升压斩波,其输出平均电压大于输入电压,极性相同。
(3)Buck－Boost电路——降压―升压斩波,其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反,电感传输。
(4)Cuk电路——降压或升压斩波,其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反,电容传输。
此外还有Sepic、Zeta电路。
1、2 直流—直流变换器的发展当今软开关技术的发展使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司(美国怀格公司,国际知名的电源模块生产厂家)设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80～90)%。
日本NEMIC—LAMBDA(联美兰达,日本的开关电源厂商、2012年兰达被TDK收购,名称也改为TDK-LAMBDA)公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200～300)kHz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。
第二章降压―升压斩波电路的设计2、1 基本工作原理电路原理图如图2-1所示,基本工作原理如下:b)Ra)ii2II图2-1: 降压―升压斩波电路原理图设电路中电感L值很大,电容C值也很大。
使电感IL与电容电压即负载电压uo基本为恒值。
编号XXXX大学毕业设计题目高频同步整流BUCK变换器的设计与仿真毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：XX大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
作者签名：年月日（学号）：高频同步整流BUCK变换器的设计与仿真摘要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，己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。
本文首先概述了现有开关电源设计技术及其发展趋势，接着介绍了BUCK变换器的电路结构、工作原理及控制原理。
最后进行了芯片系统的仿真研究，其中首先介绍了所选芯片的性能特点及其经典电路图，然后利用LTSPICE进行了仿真验证。
目录摘要 (1)Abstract (2)1 绪论 (3)1.1电力电子技术的概述 (3)1.2开关电源的研究现状和发展趋势 (3)1.3 Buck斩波电路的研究意义 (5)1.4 论文的主要研究容 (6)2 Buck斩波电路的原理 (7)2.1 Buck变换器的连续导电模式 (8)2.2 Buck变换器电感电流不连续的导电模式 (10)2.3 电感电流连续的临界条件 (11)2.4 纹波电压ΔU O及电容计算 (12)2.5参数的计算 (12)3 Buck斩波电路的建模 (14)3.1开关电路的建模 (14)3.1.1理想开关模型 (14)3.1.2状态空间平均模型 (15)3.1.3小信号模型 (17)3.2系统的传递函数 (18)3.2.1降压斩波电路的传递函数 (18)3.2.2 PWM比较器的比较函数 (20)3.2.3调节器的传递函数 (21)4 控制电路的设计 (22)4.1电压模式控制电路的设计 (22)4.1.1电压调节器的结构形式 (22)4.1.2电压调节器的参数 (23)4. 2 控制电路结构 (24)5 Buck斩波电路的控制仿真研究 (25)5.1 Matlab简介 (25)5.2 Buck斩波电路主电路的仿真 (25)5.3 Buck斩波电路的PID控制算法的仿真 (27)6全文总结及展望 (30)参考文献 (31)附录1：主电路仿真模型 (32)附录2：主电路仿真波形图 (33)附录3：PID仿真图 (34)致 (35)摘要随着电子产品与人们工作和生活的关系日益密切，便携式和待机时间长的电子产品越来越受到人们的青睐，它们对电源的要求也越来越高。
DC-DC开关电源芯片是一种正在快速发展的功率集成电路，具有集度高，综合性能好等特点，具有很好的市场前景和研究价值。
论文在研究开关电源技术发展现状和前景的基础上，设计一种Buck型DC-DC 开关电源的设计。
首先对主电路的工作原理和系统构成进行了研究和分析，包括工作过程中各个元器件的工作状态和工作特点。
buck电路仿真微分方程Buck电路是一种常见的DC-DC转换电路，常用于降压变换。
它的基本原理是通过开关管的开关动作，使电感储能并输出电能。
本文将从微分方程的角度来分析和仿真Buck电路。
我们需要建立Buck电路的微分方程模型。
假设开关频率为f，开关周期为T=1/f。
在一个开关周期内，我们可以分为两个状态：导通状态和关断状态。
在导通状态下，开关管处于导通状态，电感L储能；在关断状态下，开关管处于关断状态，电感L释放储能。
在导通状态下，根据基尔霍夫定律可以得到以下微分方程：\[L\frac{{di_L}}{{dt}} + V_{in} - V_{out} = 0\]其中，L为电感的感值，di_L/dt为电感电流的变化率，V_in为输入电压，V_out为输出电压。
在关断状态下，由于开关管处于关断状态，电感L的电流变化为：\[L\frac{{di_L}}{{dt}} + V_{out} = 0\]根据电路的工作原理，我们可以得到导通状态和关断状态的时间比例为D和1-D，其中D为占空比，即导通时间与一个开关周期的比值。
综合上述两个状态，我们可以得到完整的微分方程模型：\[L\frac{{di_L}}{{dt}} + V_{in}(1-D) - V_{out}D = 0\]为了进行仿真，我们需要给定一些参数值。
假设输入电压V_in为12V，输出电压V_out为5V，电感感值L为10mH，占空比D为0.5。
代入上述微分方程，我们可以得到如下仿真结果：在导通状态下，电感电流随时间线性增长，直到达到峰值。
在关断状态下，电感电流线性下降，直到下一个开关周期开始。
通过仿真结果，我们可以得到Buck电路的各个参数值。
例如，在导通状态下，电感电流峰值为0.3A；在关断状态下，电感电流下降到0A。
根据这些参数值，我们可以进一步计算Buck电路的平均输出电流、输出功率等。
除了上述的微分方程仿真，我们还可以仿真Buck电路的开关管电流、开关管功率等参数。
buck降压电路设计Buck降压电路是一种常见的电源电路，被广泛应用于各种电子设备中，如手机、电脑、电视等。
它通过降低输入电源的电压，得到所需的输出电压，以满足电子设备的工作要求。
在本篇文章中，我们将详细介绍Buck降压电路的设计原理和步骤。
让我们来了解Buck降压电路的基本工作原理。
Buck电路通常由输入电压源、功率开关、电感、二极管和负载组成。
其中，功率开关可以是MOSFET或BJT，用于控制电路的通断状态。
输入电压通过功率开关和电感形成一个电流环路，通过电流环路的开关控制，可以改变电路中电感的导通和断开状态，从而实现对输出电压的控制。
通过调节电流环路的开关频率，可以实现输出电压的稳定。
接下来，我们将详细介绍Buck降压电路的设计步骤。
1. 确定输出电压要求：我们需要确定所需的输出电压。
根据实际应用需求，确定输出电压的数值和精度要求。
2. 选择功率开关元件：根据所需输出电压和负载电流的要求，选择适当的功率开关元件。
常用的功率开关有MOSFET和BJT两种，根据实际应用需求选取合适的型号。
3. 计算电感和电容数值：根据所选功率开关元件的参数，以及设计输出电压和负载电流的要求，计算电感和电容的数值。
电感和电容的数值选择对输出电压的稳定性有很大影响。
4. 确定开关频率：开关频率也是Buck降压电路设计中非常重要的一个参数。
开关频率的选择要考虑输出电压稳定性、功率开关元件的性能和电路的EMI（电磁干扰）等方面。
5. 设计反馈回路：反馈回路用于检测输出电压，并根据需要进行调节。
常用的反馈回路有电压反馈和电流反馈两种。
根据设计需求，选择合适的反馈回路，并进行设计。
6. 进行仿真和优化：在设计完成后，可以进行电路的仿真和优化。
利用电路仿真软件，对电路进行模拟，验证设计的可行性和稳定性。
如果有必要，可以进一步对电路参数进行调整和优化。
7. PCB布局与焊接：将设计好的电路布局在PCB板上，并进行焊接和连线。
用WEBENCH仿真Buck稳压器的补偿电路
一、要求：
用WEBENCH仿真TPS54160电路，观察不同输出电容和补偿电路组合下的穿越频率和相位裕度。
二、步骤：
1. 使用TPS54160进行WEBENCH仿真，输入电压6-36V，输出电压3.3V，输出电流
1.5A。
2. 打开设计之后，利用原理图编辑功能，按照PMLKBUCKEVM电路板上的元器件参数
修改电感、Rt、输出电容和补偿电路的值。
3. 对编辑好的电路使用波特图仿真，得到穿越频率和相位裕度。
4. 改变输出电容和补偿电路的值，分别得到以下4种情况下的波特图仿真：
5. 利用WEBENCH的PRINT功能导出4种情况下的仿真报告。
三、报告要求
1. 记录不同输出电容和补偿电路组合下的穿越频率和相位裕度，填写下列表格：
2. 保存4种情况时的WEBENCH波特图仿真报告PDF文件。
3. 将1和2中的文件打包，压缩包命名为学号+姓名，提交电子版报告给王嘉昊。
BUCK电路方案设计首先，需要明确设计目标，包括输出电压、输出电流和效率等。
根据这些目标，可以选择合适的BUCK拓扑和控制方式。
常见的BUCK拓扑有两种：非同步BUCK和同步BUCK。
非同步BUCK拓扑简单，成本较低，但效率较低；同步BUCK拓扑效率较高，但成本较高。
根据实际需求选择合适的拓扑。
控制方式主要分为开关控制和电流控制两种。
开关控制是通过PWM信号控制开关管的开关时间来调节输出电压；电流控制是通过测量和控制输出电流来实现稳定输出。
根据应用场景选择合适的控制方式。
在选择拓扑和控制方式时，还需要考虑输入电压范围、输出电流范围和负载变化等因素。
根据这些因素，可以确定合适的电源和开关管。
接下来，需要设计反馈控制回路，以确保输出电压的稳定性。
通常使用PID控制算法来控制输出电压。
PID控制器的设计需要根据具体情况进行参数调整。
在设计电路时，需要考虑电路的稳定性和抗干扰能力。
可以采用隔离设计或添加滤波电路来减小噪声和干扰。
同时，需要进行电路参数的计算和模拟仿真。
通过计算和仿真可以验证电路方案的可行性，并优化电路参数和控制策略。
在确定了最终的电路方案后，还需要进行实际的电路搭建和调试。
可以通过实验验证电路的性能和稳定性，并根据实际情况进行调整和改进。
最后，需要进行电路的安全设计和可靠性分析。
包括过压保护、过流保护、温度保护等功能的设计，以及电路的寿命和可靠性评估。
总之，BUCK电路方案设计需要结合实际需求和特点，进行拓扑选择、控制方式选择、反馈控制回路设计、电路参数计算和模拟仿真、电路搭建和调试、安全设计和可靠性分析等工作，最终得到一套满足要求的BUCK电路方案。
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。
第２９卷 ＶＯ１．２９ 第２１期 ＮＯ．２１ 计算机工程与设计
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ２００８年１１月
ＮＯＶ．２００８
电压型Ｂｕｃｋ电路控制器的复频域设计及仿真研究 陈亚爱， 张卫平， 刘 坤， 樊生文， 李卫海 （北方工业大学机电工程学院，北京１００１４４） 摘要：通过分析电压型Ｂｕｃｋ电路控制器，在复频域下用模拟和数字两种方法对Ｂｕｃｋ变换器的补偿网络进行了设计。应用 ＰＳｐｉｃｅ软件建立了系统的模拟电路模型，对系统的频率特性进行了仿真，并用Ｍａｔｈｃａｄ仿真软件对复频域下系统连续模型的 频率特性进行了验证。然后运用根轨迹理论讨论了一种基于根轨迹和零极点配置的数字控制器设计方法，根据系统性能指 标设计了补偿网络，并用Ｍａｔｌａｂ仿真软件对控制系统离散数学模型进行了特性仿真。仿真结果表明用该方法所设计的控制 器性能与模拟电路建立的控制器性能完全相同。经过离散化的控制器数学模型可以方便地在ＤＳＰ等数字信号处理器上实 现，为开关变换器的数字化控制提供了简便的实现方法。 关键词：Ｂｕｃｋ电路；复频域；ＰＳｐｉｃｅ；Ｍａｔｈｃａｄ；Ｍａｔｌａｂ 中图法分类号：ＴＰ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—７０２４（２００８）２１—５６１１．Ｏ６
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｙｐｅ Ｂｕｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ＣＨＥＮ Ｙａ—ａｉ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ—ｐｉｎｇ， （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＬＩＵ Ｋｕｎ， ＦＡＮ Ｓｈｅｎｇ—ｗｅｎ，ＬＩ Ｗｅｉ—ｈａｉ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ００ １ ４４，Ｃｈｉｎａ）
精品值得阅读 相信相信的力量 uck电路的设计与仿真 1、Buck电路设计： 设计一降压变换器，输入电压为 20V，输出电压5V，要求纹波电压为输出 电压的0.5%，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz和50kHz时所需的 电感、电容。比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。 解：(1)工作频率为10kHz时， A.主开关管可使用MOSFET,开关频率为10kHz; B输入20V，输出5V，可确定占空比 Dc=25% ; C.根据如下公式选择电感
这个值是电感电流连续与否的临界值，L>Lc则电感电流连续，实际电感值 可选为1.1~1.2倍的临界电感，可选择为4 10»H ； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 C=^^Ts2 J =4.17 10 牛
8L^U。 8 沃 4.5 沃 10 X0.0055 1 0000
(2)工作频率为50kHz时， A.主开关管可使用MOSFET,开关频率为50kHz; B输入20V，输出5V，可确定占空比 Dc=25% ; C.根据如下公式选择电感 . (1—DJRT (1 —0.25)汇10,. 1
Lc
(1 _DJRT
2 s (1-0.25)1°
亠
2 10000 = 3.75 10* H
5 (1-0.25)
0.75 10, H 50000
这个值是电感电流连续与否的临界值, L>Lc则电感电流连续，实际电感值 精品值得阅读 相信相信的力量 Lc Ts
2 精品值得阅读
相信相信的力量 可选为1.2倍的临界电感，可选择为0.9 10" H ； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值
分析：在其他条件不变的情况下，若开关频率提高 n倍，则电感值减小为 1/n，电容值也减小到1/n。从上面推导中也得出这个结论 2、Buck电路仿真:
利用sim power systems中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输 入电压为20V的直流电压源，开关管选 MOSFET模块（参数默认），用Pulse
Gen erator模块产生脉冲驱动开关管 建模:
分别做两种开关频率下的仿真 工作频率为10kHz时
Uo(1-Dc) 8L Uo
Ts2 5 (1-0.25) 1 8 0.9 10J 0.005 5 500002 = 0.833 10*F
matlab20120510 « 精品值得阅读
相信相信的力量 (1) 使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳 态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。 直流电压波形：(稳态直流电压值=4.595V)
直流纹波电压波形: 观察直流电压瞬时值: 输出的稳态直流电压最大值为 4.607V，最小值为 4.585V，所以得到 Uo : 0.012V 精品值得阅读 相信相信的力量 0.012 俺 0.0026 c 0.005 4.595
符合设计要求
(2) 画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。 电流波形: 输出的电感电流最大值为0.96A，最小值为0A，所以得到：iL ： 0.96A 理论计算如下所示：
.Uo Uo
纹波 0
T 3 2.5 2
0.5 0 -0.5 1 1.5 2 5
Tine offtet:
T 0 9 0.0
0.6 0.5
0.3 0.2
0 0.0191 0.0152 0.0193 0.0194 0.01% 0.0197 Tine offset 0.01S5
3 精品值得阅读 相信相信的力量 .沉=虫（1—DC）TS
5
4（1一0.25） - 0.9375A
L 4"0 10000
仿真结果与理论值基本相同。
（3）修改占空比，观察直流电压值的变化 占空比改为50% 直流电压波形：（幅值为9.551V） 精品值得阅读
相信相信的力量 Uo ： 0.0115V。 直流电压在趋于稳定前，波动增多。同时，在稳定时的纹波减小了 ⑷将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型：记录电感电流波形，观察不 连续电流的波形；记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，与理论公式对比, 并与同一占空比下电流连续时的直流电压值进行比较；计算稳态直流纹波电压,
并与理论公式比较（需根据电流波形计算 D2的大小）
Uo Uo 0.0115 9.551 0.0012 < 0.005
输出的稳态直流电压最大值为 9.5657V，最小值为 9.5502V，所以得到
电感电流波形: 精品值得阅读
相信相信的力量 电流断续波形:
电流连续波形: 电压波形：（稳态电压值=6.264V ） 精品值得阅读
相信相信的力量 口 回: 骨自 ASS O & -Eg
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Tine oflset: 0 输出的稳态直流电压最大值为 6.288V，最小值为 6.231V，所以得到 .Uo ： 0.057V。
纹波增大。大于设计要求 D2计算： 电流连续：= D1
V in
所以： D2=Vin-VoutD1=20-6.264 *4.595 =0504，电感变为原来一半。占 Vout 6.264 20
空比变为原来的两倍
工作频率为50kHz时 1）使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳 态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标 直流电压波形：（稳态直流电压值=4.605V）
0.02 0.04 0.06 o.oa 0.1 012 0.14 0.1 E o.ie 0.2 ■ Uo
Uo
0.057
6.264 0.0091 0.005
电流断续: Vout _ D!
V in D 1 D 2
