Buck电路的设计与仿真

Buck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HTRDLscc41075.3100001210)25.01(2)1(这个值是电感电流连续与否的临界值，LcL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H4104；D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值2008)1(scTULDUC241000015005.0105.48)25.01(5=F41017.4（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HTRDLscc41075.0500001210)25.01(2)1(这个值是电感电流连续与否的临界值，LLc则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H4109.0；D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值2008)1(scTULDUC245000015005.0109.08)25.01(5=F410833.0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simpowersystems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PulseGenerator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(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VUo012.0。005.00.0026595.4012.0UoUo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：纹波：输出的电感电流最大值为0.96A，最小值为0A，所以得到AiL96.0。理论计算如下所示：ATDLUiSCL9375.0100001)25.01(1045)1(40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）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VUo0115.0。005.00.0012551.90115.0UoUo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。(4)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）。电感电流波形：电流断续波形：电流连续波形：电压波形：（稳态电压值=6.264V）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VUo057.0。005.00.0091264.6057.0UoUo纹波增大。大于设计要求。D2计算：电流连续：电流断续：所以：0.50420595.4*264.6264.6-20-1outout2DVVVDin，电感变为原来一半。占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）1DVVinout211DDDVVinout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4.617V，最小值为4.591V，所以得到VUo260.0。005.00.0056560.4260.0UoUo不符合设计要求。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0.86A，最小值为0A，所以得到AiL68.0。理论计算如下所示：ATDLUiSCL8333.0000051)25.01(109.05)1(40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）输出的稳态直流电压最大值为9.5680V，最小值为9.5506V，所以得到VUo7601.0。005.00.0018551.97601.0UoUo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。分析：可以看出10KHZ和50KHZ相比较，在25%占空比下，50KHZ纹波增大不能满足设计要求了。在50%占空比的条件下，直流侧稳态电压几乎不变。纹波也变得更加小，直流侧稳定前的波动也变得小。在50KHZ下，两种占空比下电压纹波都比较小。