基于状态空间平均法的DC-DC电源系统模型研究
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东南大学成贤学院
毕业设计（论文）任务书
系 专业
课题名称： 基于状态空间平均法的
DC-DC电源系统模型
学生姓名：
学 号：
起讫日期：
设计地点：
导师签字：
专业签字：
任务书下达日期：二〇一〇 年 一 月二十二 日
一、毕业设计（论文）任务的内容和要求
（包括选题背景、工作要求、技术指标、成果要求等）
选题背景：
开关电源具有效率高、体积小、重量轻等特点，在航空航天、通信、计算机、电
子等各个领域得到了广泛的应用。开关电源的核心是开关变换器，近年来，开关变换
器的研究在国际国内形成热潮，而当前研究热点之一是DC/DC开关变换器的建模及
控制方法，这是电路分析设计的关键环节。在建模方面，由于DC/DC开关变换器在
闭环工作时是属于时变非线性周期性工作的系统，传统的经典分析方法(如拉氏变换
等)已经无法直接应用，这就要求运用新的方法来进行建模分析，并使分析方法更加
趋于简化、准确、全面和完善。但是在DC/DC变换器的控制方面，只是最近几年才
有了较为集中的研究。这主要有两方面的原因[1]:(l)长期以来缺少能方便地应用于控
制系统设计的大信号模型;(2)常规的线性系统控制算法对开关变换器的控制无法取得
满意的效果，而控制的快速性又使得复杂的算法难以实现。然而，随着现代控制理论
的发展和实现方法的改进，这方面的研究工作己取得了很大进展。
由于功率器件的开关作用，DC-DC开关变换器是周期性、时变结构系统。在一
个开关周期内，DC-DC开关变换器的状态空间连续时间建模，需要两套或两套以上
不同的方程组，一套描述在功率开关器件导通期间电路的工作，其它描述功率开关器
件关断期间的工作。在每种开关状态期间，如果RLC元件是线性的，则电路为线性
电路。为了得到描述开关变换器在整个开关周期内的统一的状态空间模型，1976年
Middlebrock R.D.和SlobodanCuk在前人的基础上提出了状态空间平均法(State Space
Averaging)[2],极大地简化了开关变换器的分析设计，有力地推动功率电子学的发展，
并在国际上迅速形成研究热潮，学术交流日益频繁。1986年IEEE协会开始出版功率
电子学汇刊（IEEE Trans. On Power Electronics），标志着该科学走向成熟。目前，每
年召开的国际学术交流会议达十次以上，如Power Electronics Specialists Conference
(PESC)、Applied Power Electronics Conference (APEC)、PowerCon、IECON等等。有
专家预言，作为该学科研究对象的功率电子技术，特别是新一代功率集成电子器件，
将崛起第二次电子工业革命，它将冲击整个消费电子学和工业电子学领域。而事实证
明确实如此。
状态空间平均法一直是国际公认的PWM ( pulse-width-modulation)DC/DC变化器
的主要建模和分析方法，其实质为：根据由线性RLC元件、独立电源和周期性开关
组成的原始网络，以电容电压、电感电流为状态变量， 按照功率开关器件的'ON'和
'OFF'两种状态，利用时间平均技术，得到一个周期内平均状态变量，将一个非线性、
时变、开关电路转变为一个等效的线性、时不变、连续电路，因而可对DC/DC开关
变换器进行大信号瞬态分析，并可决定其小信号传递函数， 建立状态空间平均模型。
状态空间平均法是开关变换器的基本分析方法，主要用于分析理想PWM开关变
换器。该方法将状态空间的概念引入了电源系统的分析中，不受电路拓扑结构的影响；
该方法可以利用人们熟知的经典的线性电路理论和控制理论对DC/DC变换器进行稳
态和小信号分析，物理概念清楚，方法也易掌握，对设计有一定的指导意义；该方法
将电路写成矩阵方程的形式，可以采用数学方法和计算机来辅助分析。
工作要求：在规定的时间内完成系统工作原理的分析及模型建立，形成完整的功率级
模型，并用Matlab中的Simulink软件进行模型搭建与仿真，将仿真结果
与理论研究进行对比分析。
技术指标：Vin=3.3V，Vout=1.2V，fs=1MHz，Io=0.6A，输出电压纹波为10mv，效率
90%。
成果要求：1、Buck DC-DC转换器的工作原理；
2、开关的线性建模，分析系统中的非理想因素对系统的影响；
3、构建完整的系统功率级模型；
4、Matlab进行仿真验证，得出功率级模型及仿真图形。
文档要求：
1. 查阅文献10篇左右（其中教师推荐3～5篇）。
2. 英文译文一份并附英文原文（不少于3000汉字）
翻译格式要求：
（1）正文：小四号宋体，首行缩进。除引文和前面所述的某些外文符号外一律用正体，文
字用横排。
（2）一级标题（题目）：二号宋体居中；二级标题（章）：三号黑体居中；
（3）三级标题（节）：四号宋体（粗体）居左；四级标题（节内小节）居左：小四（黑体）；
（4）表格文字可用小五宋体或正文字体，居中（或居左）并整齐划一，表格名及图名用5
号宋体。
（5）标点符号：单个的标点符号（如句号、逗号、分号、顿号、冒号、感叹号、破折号等）
和成双的标点符号（如分号、括号）的后半部分不得放在行首，成双的标点符号前半
个不得放在句末。
3. 毕业设计报告（论文）一份，不少于10000汉字，格式见“毕业设计报告（论文）
撰写格式”
4. 毕业设计（论文）业务总结一份（进入学生本人档案）；
毕业论文格式要求：请参考“2010年成贤本科生毕业设计论文格式”要求
5. 毕业设计（论文）工作手册一份，内含：
（1）开题报告一份（学生在分析消化任务书要求后，经过调研、查阅文献资料，
提出完成课题的基本思路和方法）（不少于3000汉字）
（2）毕业设计（论文）期中检查表之一（学生填写，裁下后交系部）
（3）毕业设计（论文）进度记录表（学生填写，指导教师签名）
（4）毕业设计软硬件成果验收检查表（指导教师填写）
（5）毕业设计报告（论文）评阅意见表（评阅教师填写）
（6）毕业设计（论文）答辩资格审查表（指导教师填写）
（7）毕业设计（论文）成绩评定表
二、工作进度要求
2011.3.01-2011.3.14 (2周) 论文翻译，并在本阶段结束前提交一份翻译报告
2011.3.15-2011.4.04 (3周) 查阅文献资料，学习Buck型DC-DC转换器和状态空间平均法的工作原理，并在本阶段结束前提交一份学习报
告，对原理进行总结
2011.4.05-2011.4.25 (3周)
采用基本的状态空间平均法对开关电源功率级进行建模
设计，并在本阶段结束前提交一份学习报告
2011.4.26-2011.6.6(6周)
应用Matlab软件对所设计系统仿真，观察输出结果，对
比理论分析查找差异，并提交仿真波形图文件
2010.6.7-2010.6.20(2周)
以以上各个阶段提交的报告为基础，进行论文撰写、答辩
PPT制作，并准备答辩
三、主要参考文献
【1】尹丽云. DC_DC开关变换器建模及其非线性控制研究[M].广西大学，2007.
【2】高朝晖,林辉,张晓斌等. 两种状态平均法在功率变换器建模的应用比较[J]. 计算
机仿真.2008.25(4):241-244+248.
【3】文亚凤.状态空间平均法在开关电源动态建模中的应用 [J] .电力电子技术,2008，
27(18)：54-56
【4】RD.Mddlebrook, S.Cuk. A general unified approach to modeling switching-converter
power stages. IEEE Power Electronics Specialists Conference Record, 1976, pp.
18-34. （翻译）
【5】Yang Qiu, Ming Xu,etc. A Generic High-Frequency Model for the Nonlinearities in
Buck Converters. IEEE Power Electronics,2007,22(5):1970-1977
