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Buck电路的闭环设计及仿真分析

一、本文概述

随着电力电子技术的飞速发展，电源转换技术已成为现代电子设

备不可或缺的一部分。其中，Buck电路作为一种基本的直流-直流

（DC-DC）转换器，因其结构简单、效率高、调节范围宽等优点，在

电子设备中得到了广泛应用。然而，为了确保Buck电路在各种环境

和负载条件下的稳定性和高效性，闭环设计显得尤为重要。本文旨在

探讨Buck电路的闭环设计方法，并通过仿真分析验证设计的有效性。

文章首先简要介绍了Buck电路的基本原理和应用背景，然后重

点阐述了闭环设计的重要性及常用方法。在闭环设计部分，文章详细

分析了反馈网络的选取、控制策略的制定以及功率级和控制级的协同

工作等问题。同时，结合具体的设计实例，阐述了闭环设计在实际应

用中的具体实现过程。

为了验证设计的有效性，文章采用了仿真分析的方法。通过搭建

基于MATLAB/Simulink的仿真模型，对设计的Buck闭环电路进行了

全面的仿真分析。仿真结果证明了闭环设计的有效性，同时也为实际

电路的制作和调试提供了重要参考。

文章对闭环设计的Buck电路进行了总结，并指出了未来研究方

向和潜在的应用前景。通过本文的研究，旨在为从事电源转换技术研
究和应用的工程师和学者提供有益的参考和启示。

二、Buck电路的基本原理

Buck电路，也称为降压转换器，是一种基本的直流-直流（DC-DC）

转换电路，其主要功能是将较高的直流电压降低到所需的较低直流电

压。其名称来源于电路中开关元件（如MOSFET或晶体管）的操作，

类似于（减少或抑制）输入电压。

Buck电路的基本构成包括一个开关（通常是MOSFET），一个电

感（或称为线圈），一个二极管（也称为整流器或续流二极管），以

及一个输出电容器。在开关打开时，电流通过电感从输入源流向输出，

此时电感储存能量。当开关关闭时，电感释放其储存的能量，通过二

极管向输出电容器和负载供电。

Buck电路的工作原理基于电感的电压-电流关系。当开关打开时，

电感两端的电压为正，电流增加，电感储存能量。当开关关闭时，电

感两端的电压为负，电流减小，电感释放能量。通过调整开关的占空

比（即开关打开的时间与总周期时间的比例），可以控制输出电压的

大小。

输出电容器在电路中起到平滑输出电压的作用，减小输出电压的

纹波。二极管则确保在开关关闭时，电流能够继续流过电感，从而维

持电感的电流连续性。
Buck电路通过控制开关的占空比，能够有效地将较高的输入电

压转换为所需的较低输出电压，是电子系统中广泛应用的一种电压转

换电路。

三、闭环设计的基本原理

闭环设计是Buck电路实现稳定输出电压的关键环节。其基本原

理在于通过引入反馈机制，使得电路的输出电压能够实时调整，以应

对输入电压的变化、负载的变动以及电路内部元件参数的变化。闭环

设计包括电压反馈和电流反馈两种方式，其中电压反馈是最为常见的

方式。

在电压反馈闭环设计中，输出电压的一部分通过反馈网络被送回

控制电路，与参考电压进行比较。这个差值被放大后，用于调整主开

关管的导通时间，从而改变输出电压。当输出电压升高时，反馈电压

也相应升高，通过控制电路使得主开关管的导通时间缩短，降低输出

电压；反之，当输出电压降低时，反馈电压也降低，控制电路会使得

主开关管的导通时间延长，提高输出电压。通过这种方式，电路实现

了对输出电压的自动调节，保持了输出电压的稳定。

闭环设计还需要考虑稳定性问题，即系统对于各种扰动的抵抗能

力。这通常通过引入合适的补偿网络来实现，以改善电路的相位裕度

和增益裕度，确保电路在各种工作条件下都能保持稳定。
在仿真分析中，闭环设计的性能可以通过观察电路在不同输入电

压、不同负载以及不同元件参数下的输出电压变化来评估。还可以通

过分析电路的频率响应，观察系统的相位和增益特性，以判断闭环系

统的稳定性。通过仿真分析，可以对闭环设计进行优化，以提高电路

的性能和稳定性。

四、闭环设计的关键技术

Buck电路的闭环设计是提升电路性能、实现稳定输出的关键环

节。闭环设计涉及到多个关键技术，包括反馈网络设计、误差放大器

选择、PWM调制器配置以及补偿网络的优化。

反馈网络设计：反馈网络用于将输出电压或电流引入控制回路，

与参考信号进行比较，生成误差信号。反馈网络的设计需要考虑到信

号的传递精度、相位延迟以及噪声抑制能力。通常，反馈网络采用电

阻分压或电流采样方式实现，设计时需确保反馈信号的准确性和稳定

性。

误差放大器选择：误差放大器是闭环控制的核心元件，负责将误

差信号放大到足以驱动PWM调制器的水平。误差放大器的选择需要