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现代电源技术

基于BUCK电路的电源设计

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目录

摘要3
一、设计意义及目的4
二、Buck电路基本原理和设计指标4
2.1Buck电路基本原理4
2.2Buck电路设计指标6
三、参数计算及交流小信号等效模型建立6
3.1电路参数计算6
3.2交流小信号等效模型建立10
四、控制器设计12
五、Matlab电路仿真17
5.1开环系统仿真17
5.2闭环系统仿真19
六、设计总结23

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摘要

Buck电路是DC-DC电路中一种重要的基本电路，具有体积小、效率高的

优点。本次设计采用Buck电路作为主电路进行开关电源设计，根据伏秒平衡、

安秒平衡、小扰动近似等原理，通过交流小信号模型的建立和控制器的设计，成

功地设计了Buck电路开关电源，通过MATLAB/Simulink进行仿真达到了预设

的参数要求，并有效地缩短了调节时间和纹波。通过此次设计，对所学课程的有

效复习与巩固，并初步掌握了开关电源的设计方法，为以后的学习奠定基础。

关键词：开关电源设计Buck电路

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一、设计意义及目的

通常所用电力分为直流和交流两种，从这些电源得到的电力往往不能直接满

足要求，因此需要进行电力变换。常用的电力变换分为四大类，即：交流变直流

（AC-DC），直流变交流（DC-AC），直流变直流（DC-DC）,交流变交流

（AC-AC）。其中DC-DC电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电

压的直流电，包过直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路又

称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，主要

包括六种基本斩波电路：Buck电路，Boost电路，Buck-Boost电路，Cuk电

路，Sepic电路，Zeta电路。其中最基本的一种电路就是Buck电路。

因此，本文选用Buck电路作为主电路进行电源设计，以达到熟悉开关电源

基本原理，熟悉伏秒平衡、安秒平衡、小扰动近似等原理，熟练的运用开关电源

直流变压器等效模型，熟悉开关电源的交流小信号模型及控制器设计原理的目

的。这些知识均是《线代电源设计》课程中所学核心知识点，通过本次设计，将

有效巩固课堂所学知识，并加深理解。

二、Buck电路基本原理和设计指标

2.1Buck电路基本原理

Buck变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直

流变换器，主要用于电力电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载

等。其基本结构如图1所示：

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图1Buck电路基本结构图

在上图所示电路中，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原

则是使V(t)的直流分量可以通过，而抑制V(t)的谐波分量通过；电容上输出电
ss

压V(t)就是V(t)的直流分量再附加微小纹波V(t)。由于电路工作频率很高，
sripple

一个开关周期内电容充放电引起的纹波V(t)很小，相对于电容上输出的直
ripple

流电压V有：。电容上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态

工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作

是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小扰动近似原理。

一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内

充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至

达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电

电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减

慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容

上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电

也达到平衡。

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当开关管导通时，电感电流增加，电感储能；而当开关管关断时，电感电流

减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁

链增量为：。此增量将产生一个平均感应电势：。

此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致

一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状

况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为

零的现象称为：电感伏秒平衡。

2.2Buck电路设计指标

基于如上电路基本原理，设定如下指标：

输入电压：25v

输出电压：5v

输出