CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY
课程设计说明书
课程设计名称: 电力电子
题目:BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 20V/ 10V
电力电子课程设计任务书
二级学院(直属学部):电子信息与电气工程学院专业:电气工程及其自动化班级:所属组号2# 指导教师职称讲师
目录
一、课题背景 (1)
1、buck电路的工作原理 (1)
二、课题设计要求 (2)
三、课题设计方案 (2)
1、系统的组成 (2)
2、主电路部分的设计 (3)
3、闭环系统的设计 (4)
4、闭环系统的仿真 (8)
四、总结及心得体会 (13)
五、参考文献 (14)
附录 (15)
一、课题背景
1、buck 电路的工作原理
Buck 电路是由一个Mosfet S 与负载串联构成的，是一种降压斩波电路，其电路如图1-1，
其中R C 为电容的等效电阻(ESR)。
图1.1 buck 变换器主电路图
由驱动信号周期地控制mosfet S 的导通与截止，通过改变驱动信号的占空比D ，来改变输出电压Uo 。当电路中上管导通时，源极电压等于输入电压，因此驱动管的栅极电压=Vin+Vgs ，IC 不能直接驱动，IC 部将上管的驱动路采用浮地的方式，外接自举电容组成偏置电路来驱动上管。
根据开关管的通断状态列基尔霍夫电压方程： 当开关管导通时： IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=∆ （1-1）
当开关管关断时： O
L D L OFF /V V V L i T ++=∆ （1-2）
2.BUCK 开关电源的应用
自从20世纪70年代，用高频开关电源取代线性调节器式电源以来，高频开关电源得到了很大的发展。40多年来，高频开关电源的技术进步和发展历程有三大标志：①功率半导体开关器件用功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)取代了70年代使用的普通功率晶体管；②高频化PWM 与PFM 控制技术的应用和软开关技术的应用；③开关电源系统集成技术的应用。现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。
可以说，凡是用电的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天电源、UPS 电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等，都要使用高频开关电源。这些电源功率通常仅有几十瓦至几百瓦。手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几瓦。通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达数千瓦至数百千瓦。工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。
上述的开关电源最终的供电对象基本都是电子电路，电压多为3.3V ，5V,12V 等。除了这些应用之外，开关电源还可以用于蓄电池充电，电火花加工，电镀、电解等电化学过程等，功率可达几十至几百千瓦。在X 光机、微波发射器、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电流输出的开关电源。 二、课题设计要求
1、输入直流电压(Vin)：20V
2、输出电压(Vo)：10V
3、负载电阻：Ω=2R
4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp ≤50mV ，电感电流脉动：输出电流的10%
5、开关频率(fs)：100kHz
6、BUCK 主电路二极管的通态压降VD=0.5V ，电感中的电阻压降VL=0.1V ，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C 与电解电容RC 的乘积为F *Ωμ75
7、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S ，占空比为2%，相位延迟0.006S 。 三、课题设计方案 1、系统的组成
1.1 闭环系统结构框图
图3.1.1 闭环系统结构框图
整个BUCK 电路包括:Gc(S)为补偿器，G m （S ）PWM 控制器，G vd （S ）开环传递函数和
H(S) 反馈网络。采样电压与参考电压V ref 比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWM 控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压Uo 做成相应调整来消除偏差。 （2）系统传函框图
Gc(s)
Gm(s)
Gvd(s)
H(s)
PWM
R(s) +
-C(s)
2、主电路部分的设计
2.1 电容等效电阻R C 和滤波电感C 的计算
Buck 变换器主电路如图3.2.1所示，其中R C 为电容的等效电阻(ESR)。
输出纹波电压只与电容的容量以及ESR 有关， 式（3-1）
电解电容生产厂商很少给出ESR ，但C 与R C 的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF 。本例中取为75μΩ*F ，由式(3-1)可得R C =100m Ω，C =750μF 。 2.2 滤波电感L 的计算
开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(3-2)、(3-3)所示 IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=∆ 式（3-2）
O
L D L OFF /V V V L i T ++=∆ 式（3-3）
二极管的通态压降V D =0.5V ，电感中的电阻压降V L =0.1V ，开关管导通压降V ON =0.5V ，
L i ∆=0.2I N 。利用ON OFF S 1T T f +=，可得T ON =5.3μS ，将此值回代式(3-2)，可得L =99.64μH ， 取L=100μH
rr rr
C L N
0.2V V R i I ==∆
