題目：Buck電路的設(shè)計與仿真

1、題目：Buck電路的設(shè)計與仿真 1、Buck電路設(shè)計： 設(shè)計一降壓變換器，輸入電壓為20V，輸出電壓5V，要求紋波電壓為輸出電壓的0.5%, 負(fù)載電阻10歐姆，求工作頻率分別為 10kHz和50kHz時所需的電感、電容。比較說明不同 開關(guān)頻率下，無源器件的選擇。 解：（1）工作頻率為10kHz時， A. 主開關(guān)管可使用 MOSFET ,開關(guān)頻率為10kHz ; B. 輸入20V，輸出5V，可確定占空比 Dc=25% ; C. 根據(jù)如下公式選擇電感 Lc (1 -2 s (1-0.25) 101 2 10000 = 3.75 10 這個值是電感電流連續(xù)與否的臨界值, L Lc則電感電流連續(xù)，實際

2、電感值可選為1.2 倍的臨界電感，可選擇為4.5 10 *H ； D. 根據(jù)紋波的要求和如下公式計算電容值 C U(1-Dc)t2 CI S = 8L 也 U0 5(1 ；25)1 2 =4.17 10F 8 4.5 100.00 5 5 1 0 000 （2）工作頻率為 50kHz時, A. 主開關(guān)管可使用 MOSFET ,開關(guān)頻率為50kHz ; B. 輸入20V，輸出5V，可確定占空比 Dc=25% ; C. 根據(jù)如下公式選擇電感 Lc 冒 Ts (1-0.25) 101 =：K 250000 = 0.75 10*H 這個值是電感電流連續(xù)與否的臨界值, LLc則電感電流連續(xù)，實際電感值可

3、選為 1.2 倍的臨界電感，可選擇為0.9 10H ； D. 根據(jù)紋波的要求和如下公式計算電容值 -些上葉2 8LU0 5 (1-0.25)1 8 0.9 10，0.005 5 500002 = 0.833 10*F 分析： 在其他條件不變的情況下，若開關(guān)頻率提高n倍，則電感值減小為 1/n，電容值也減小 到1/n。從上面推導(dǎo)中也得出這個結(jié)論。 2、Buck電路仿真： 禾U用simpowersystems中的模塊建立所設(shè)計降壓變換器的仿真電路。輸入電壓為20V的 直流電壓源，開關(guān)管選MOSFET模塊（參數(shù)默認(rèn)）,用Pulse Generator模塊產(chǎn)生脈沖驅(qū)動開關(guān) 管。分別做兩種開關(guān)頻率下的仿

4、真。 （一）開關(guān)頻率為 10Hz時； （1）使用理論計算的占空比，記錄直流電壓波形，計算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，計算穩(wěn)態(tài)直流 紋波電壓，并與理論公式比較，驗證設(shè)計指標(biāo)。 由第一步理論計算得占空比Dc=25% ; 實驗仿真模型如下所示（穩(wěn)態(tài)直流電壓值為 4.299V）: 直流電壓整體波形如下所示: Ub. R 1 1 1 1 1 II I 5 丄、- 1 1 1 | | | | II - E 0.01 .3 .4 B .D7 D.DB 0.09 0.1 1 計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓： 利用Matlab菜單欄的Desktop”中選中“Worksapce”，并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開， 并在Variable

5、 Editor -buck.signals(1,4).values ”下，觀察直流電壓瞬時值： 通過這些數(shù)值可以看出，輸出的穩(wěn)態(tài)直流電壓最大值為4.308628V，最小值 為 4.286866V，所以得到 :Uo 0.021762V。 Uo 0.0021762 0.005 Uo 4.352 仿真結(jié)果與理論值基本相同。 (2) 畫出電感電流波形，計算電流波動值并與理論公式對比。 電感電流波形如下所示： 計算電流波動值: 利用Matlab菜單欄的Desktop”中選中“Worksapce”，并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開， 并在Variable Editor -buck.signals(1,3).

6、values”下，觀察電感電流瞬時值： 通過這些數(shù)值可以看出，輸出的電感電流最大值為0.8390A，最小值為0.0076A，所以 得到.-：iL 0.8314A。 理論計算如下所示： .譏=蟲(1Dc)Ts 54(1一0.25)-0.833A L4.51010000 仿真結(jié)果與理論值基本相同。 (3) 修改占空比，觀察直流電壓值的變化。 A 占空比Dc=20%時，直流電壓的波形值如下所示，大小為 3.418V ; 3.3 o 3.4 0.0905 D.D3I 0.0615 0062 0.0005 B .占空比Dc=50%時，直流電壓的波形值如下所示，大小為 9.589V ; 関0.0650.0

7、6由連續(xù)電流和斷續(xù)電流下的電壓 值相比較，可以看到連續(xù)電流下的直流電壓值較小，斷續(xù)時的直流電壓值較大。 理論公式如下： 其中 Dei =0.25， L RTs 1.875 10* 10 10* = 0.1875， Dc2 D18rADc1 0.252 8 ：75 J.25 1OOOO Uo De1 De1 De2 Us 0.2520 = 6.67V 0.25 O.5 可見實驗測量值與理論計算值基本相近。 理論計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓： 5(16 8LC s 5 (1-0.25) 8 1.875 10，4.17 10* 1 2 1OOOO =O.O6V 可見與仿真中得到的 O.O65V相近。 （二）開關(guān)頻率為 50Hz時; （1）使用理論計算的占空比，記錄直流電壓波形，計算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，計算穩(wěn)態(tài)直流 紋波電壓，并與理論公式比較，驗證設(shè)計指標(biāo)。 由第一步理論計算得占空比Dc=25% ； 實驗記錄穩(wěn)態(tài)直流電壓值為4.396V ； 直流電壓波形如下所示： Lib. R 4 眄11111= ao Ub: R H37 n/vWWWVWVWWWWWWVVWWVWVWVWVVVWWW