buck电路范文

buck电路范文第1篇

引言

在直流变换中不产生电能形式变化，只产生直流电参数的变化。DC/DC变换器具有成本低、重量轻、可靠性高、结构简单等特点，因此，在工业领域和实验室得到了广泛应用。单象限直流电压变换器电路的特点是输出电压平均值Uo跟随占空比D值而变，但不管D为何值，Uo的极性则始终不变，这对于直流开关稳压电源一类的应用场所是能够满足要求的。但对于直流调速电源，负载为直流电动机时，上述性能便不能满足要求，因而发展了多象限直流电压变换电路。

双象限电路分为输出电流平均值Io极性可变的电路与输出电压平均值Uo极性可变的电路两类，通常前一种电路称为电流双象限电路，后一种电路称为电压双象限电路。电流双象限电路是指输出电流平均值Io的幅值和极性均随控制信号us而变化，但输出电压平均值Uo的极性却始终为正，即电路可运行于第一和第二象限。电压双象限电路是指输出电压平均值Uo的幅值和极性均随控制信号us而变化，但输出电流平均值Io却始终为正，即电路可运行于第一和第四象限。本文将对电压双象限BuckBoost电路进行分析。

1 Buck电路

1.1 电路结构

主电路如图1所示。用电感、内阻和等效电压串联电路表示有源负载，桥的直流输入端并联滤波电容。这是一个全桥电路结构，桥的每臂用全控型器件（S1，S2）和不控型器件（D1，D2）组成。S1及S2的控制采用PWM控制，这样可以调节D值，并且及时检测负载的运行状况，由此控制开关的关断和开通。此电路的元器件、电源、负载均假设为理想的。输出滤波电感足够大，可保证负载电流连续，且线性升降。

1.2 工作原理

1.2.1 运行于第一象限

这是指输出端电压平均值和电流平均值均为正的工作状态。

（0≤t≤DT） S1及S2均导通，等效电路如

图2(a)所示，输出电压Uo为Ud，输入电流等于输出电流，输出电流线性增长，负载从电源吸取能量。

(DT≤t≤T) S1导通，S2断开，D1正偏续流，等效电路如图2(b)所示，由于S1与D1导通，Uo的值为零。

输出电压平均值为 Uo=DUd

1.2.2 运行于第四象限

这是指输出端电压平均值为负而电流平均值为正的工作状态。当电路负载为电动机且驱动位能性负载，如卷扬机的提升机构，当放下重物时，电机在重物作用下反转，电枢感应电势反向，电磁转矩成为制动转矩，为了保证安全，必须改变控制信号的极性和幅值，使电路工作于第四象限，将位能经过变换电路反馈到直流电源。具体工作过程如下。

(DT≤t≤T)S1及S2均断开，电感端电压反向，D1，D2正偏导通，等效电路如图3(a)所示，输出电压Uo为－Ud，负载反馈能量。

（0≤t≤DT）S1断开，S2导通，负载电流由D2换到S2中。等效电路如图3(b)所示，Uo的值为零。

输出电压平均值为 Uo=－DUd

由以上分析可知此电路及其控制策略可以实现双象限Buck电路功能。

2 Boost电路

2.1 电路结构

主电路如图4所示。图中S1，S2，S3为全控型器件，D1及D2为不控型器件。负载依然为有源负载，直流输入端串联电感。S1，S2，S3的控制采用PWM控制，此电路的元器件、电源、负载同样假设为理想的。输出滤波电感足够大，可保证负载电流连续，且线性升降。可以看出，本电路的设计思想也是利用全桥实现双象限运行，其好处在于简单、可靠。

2.2 工作原理

2.2.1 运行于第一象限

(DT≤t≤T)S1断开，S2及S3均导通，等效电路如图5(a)所示，电感电压UL=Ud－Uo。

0≤t≤DT）S1，S2，S3均导通，等效电路如图5(b)所示，电感电压UL=Ud。

输出电压平均值为 Uo=Ud/（1－D）

2.2.2运行于第四象限

(DT≤t≤T) S1，S2，S3均断开，电感端电压反向，D1及D2正偏导通，等效电路如图6(a)所示，电感电压UL=Ud＋Uo。

（0≤t≤DT） S1导通，S2及S3均断开，等效电路如图6(b)所示，电感电压UL=Ud。

输出电压平均值为 Uo=－Ud/（1－D）

3 Buck-Boost电路

3.1电路结构

主电路如图7所示。图中S0，S1，S2，S3，S4为全控型器件。负载依然为有源负载，直流输入端并联电感Lo。所有开关均采用PWM控制，此电路的元器件、电源、负载同样假设为理想的。输出滤波电感足够大，可保证负载电流连续，且线性升降。此电路与双象限Boost电路不同之处是主开关与电感相互交换位置。也是利用单象限BuckBoost电路的主电路衍生出来的，并利用全桥全控电路实现双象限功能。改变占空比D可以实现升压或降压功能。

3.2 工作原理

3.2.1 运行于第一象限

（0≤t≤DT） S0，S1，S2均导通，S3及S4断开，等效电路如图8(a)所示，电感电压UL=Ud。

(DT≤t≤T) S0，S1及S3断开，S2及S4导通，等效电路如图8(b)所示，电感电压UL=－Uo。

3.2.2 运行于第四象限

(DT≤t≤T) S0，S2，S4断开，S1及S3导通，电感端电压反向，等效电路如图9(a)所示，电感电压UL=Uo。

（0≤t≤DT）S0，S3，S4导通，S1及S2断开，等效电路如图9(b):请记住我站域名所示，电感电压UL=Ud。

输出电压平均值为Uo=-DUd/(1-D)

4 结束

buck电路范文第2篇

关键词：Matlab；降压斩波电路；电压脉动；计算机仿真

中图分类号：TM743文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2008)24-031-03

Research of the Buck Chopper Based on Matlab

JIANG Chunling,WANG Chunling

(Taishan University,Tai′an,271021,China)

Abstract：This is a complex problem in selecting and calculating the parameter,when designing the power electronic circuit.By using the power systems toolbox in Matlab ,users can quickly find out and analyze the results from simulation,don′tneed know the mathematics model and programming.This paper discusses the reason of voltage ripple in buck chopper output,sets up the system model in Matlab,and modifies the parameter by analysing the simulation result,in the end,it confirms the optimum parameter model.Matlab is the ideal tool used for the research and application of power electronics as a new style and high-powered language.

Keywords：Matlab;buck chopper;voltage ripple;computer simulation

1 引 言

随着计算机技术的发展,计算机软件为普通科研人员进行电力系统仿真奠定了坚实的基础。Mathworks公司推出的基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中广为应用的仿真集成工具之一,它在各个领域得到广泛的应用。Simulink提供了大量的功能模块，其中的电力系统工具箱是专门为电力电子电路仿真设计的。在此正是利用Matlab对Buck电路进行研究和分析。

2 Buck电路分析

降压斩波电路（Buck Chopper）是直流斩波电路中应用最为广泛的一种电路形式。Buck电路用于降低直流电源的电压，其原理电路如图1。假设设计一个输入E=200 V，输出Uo=100 V，R=2 Ω的电路。

基于图1构建电路，但是在实际测试时发现电路输出电压的脉动较大，图2为L=0.1 mH，脉冲频率f=10 kHz时的输出电压波形。因此，如何合理选择参数、减小输出脉动，是研究和设计Buck电路的关键。

图1 Buck电路

图2 无电容时输出负载电压波形

图1工作过程为在开关器件VT导通时有电流流经电感L向负载供电，假定在这期间Uo不变，电感电流按直线规律从I1上升到I2，则有:

E－Uo=LI2－I1ton(1)

ton=(I2－I1)LE－Uo(2)

在开关器件VT关断时，电感L释放能量，维持负载电流。假定这期间电感电流按直线规律从I2下降到I1，则有:

Uo=LI2－I1toff(3)

toff=(I2－I1)LUo(4)

将ton=DT 和toff = (1-D)T（其中D为占空比）代式(1)，(3)，可得到输出电压Uo=DE，看到输出电压仅与占空比和输入电压有关。但实际上，电感中的电流是有变化的，将T=1f=ton+toff代入式(2)，(4)，可计算其变化量:

ΔI＝ED(1－D)fL

由此可知，正是由于电感电流的脉动引起了输出电压的脉动，为了减小输出电压脉动，可以采取增大电感L或者提高频率f的方法。而增大电感就要增大电感的体积，因此应该合理的选择电感值，提高斩波频率是一种行之有效的方法。另外，如果在负载两端并联一电容，使得ΔiL=ΔiC，则可以使负载电流脉动减小，从而稳定输出电压。

在实际电路的设计中，电感L、电容和脉冲频率f值的确定比较困难。而利用Matlab中的Simulink建立仿真模型，可以很方便地修改参数，直至达到设计要求。

3 建模与分析

在Simulink中建立Buck电路仿真模型如图3所示，在模型中设置参数输入电压E＝200 V，R=2 Ω,取电感L=0.1 mH，电容C=100 μF，脉冲频率f =10 kHz，为了得到输出电压Uo=100 V，应选取占空比D=50 %。设置仿真时间为0.02 s，算法采用ode15s。启动仿真，得到输出电压波形如图4所示。

图3 Buck电路仿真模型

由图4(b)可看出，在二极管导通瞬间其端电压出现了尖峰，这是由于二极管导通瞬间电感的di/dt作用。

(1) 改变电感对输出电压的影响

取电感L=1 mH，脉冲频率f=10 kHz，运行后得到输出电压波形如图5所示。与图4(d)对比，增大电感可以减小输出电压的脉动，但也会使输出电压平均值减小。

图4 f=10 kHz时各信号波形

图5 当L=1 mH时输出电压波形

(2)改变电容对输出电压的影响

对比图2和图4，可以看出负载端并联电容后，输出电压的脉动大大减小，因此实用的Buck电路在负载两端要并联滤波电容。

(3) 改变脉冲频率对输出电压的影响

取脉冲频率f分别为5 kHz,20 kHz，仿真运行后得到输出电压波形如图6所示。

图6 不同脉冲频率时的输出电压波形

对比图6和图4(d)可看出，f =5 kHz时输出电压脉动明显增大；f=20 kHz时输出电压脉动小，但输出电压平均值略有下降，说明开关频率高，器件的开关损耗增大，同时在电感上的感抗增大。因此在提高斩波频率的同时，应该考虑到开关损耗对电路的影响。

通过对不同参数下电路运行后输出电压的分析，最后确定参数选择斩波频率为10 kHz，电感L的值为0.1 mH，电容C的值为100 μF。利用Matlab构建仿真模型来设计电力电子电路，修改电路结构和参数方便，观察设计的效果更直观，并且避免了在实际电路实验过程中可能出现的器件损坏等问题。

在仿真电路中还可以加入傅里叶分析模块，可以观测输出电压直流分量，并通过傅里叶变换分析输出电压的谐波成分。通过运行可以看到本电路输出电压的各次谐波都很小。

4 结 语

系统建模和仿真技术已经日益成为现工科各专业进行科学探索、系统可行性研究和工程设计不可缺少的重要环节。建模、仿真能力成为现代工程技术人员需具备的基本技能和交流工具。利用仿真软件Matlab对降压斩波电路进行了研究和设计，利用该方法还能对非常复杂的电路、电力电子变流系统、电力拖动自动控制系统进行建模仿真。系统的建模和实际系统的设计过程非常的相似,用户不用进行编程，也无需推导电路、系统的数学模型，就可以很快地得到系统的仿真结果，通过对仿真结果分析就可以将系统结构进行改进或将有关参数进行修改使系统达到要求的结果和性能，这样就可以极大地加快系统的分析或设计过程。

参考文献

［1］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.4版.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

［2］赵良炳.现代电力电子技术基础［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［3］洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的Matlab仿真［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［4］沈辉.精通Simulink系统仿真与控制［M］.北京：北京大学出版社，2003.

［5］李传琦.电力电子技术计算机仿真实验［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［6］黄文梅,杨勇,熊桂林.系统分析与仿真Matlab语言及应用［M］.长沙：国防科技大学出版社,1999.

［7］薛定宇.反馈控制系统设计与分析Matlab语言应用［M］.北京：清华大学出版社,2000.

［8］刘文良,王杰.Matlab在电力电子技术仿真中的应用［J］.电气自动化,2001,23(3):53-54.

［9］邓国扬,盛义发.基于Matlab/Simulink的电力电子系统的建模与仿真［J］.南华大学学报,2003(1):1-6.

［10］刘文良.Matlab在电力电子技术仿真中的应用［J］.电气自动化,2001,21(3):53-54.

［11］张森,张正.Matlab仿真技术与实例应用教程［M］.北京:机械工业出版社,2004.

作者简介 姜春玲 女，1969年出生，硕士，副教授。主要研究方向为电力电子技术及其仿真。

buck电路范文第3篇

关键词：开关电源；非隔离DC/DC；BUCK转换器

中图分类号： TM762.1+1 文献标识码：A

1非隔离DC/DC变换器的拓扑种类及优势

其中应用比较广泛，在自动化设备上实用性较高的主要有以下几种： BUCK变换器、BOOST变换器、反极性BOOST、BUCK-BOOST等。

非隔离DC/DC调整器最大的优势是效率，较高的转换效率意味着能源的最大利用。同时还具有元器件简单、功率密度大的优点。

我们可以预见到，非隔离DC/DC电源是大势所趋。

2 LT1767简介及引脚功能

本文介绍的3.3V电源系统是由LINEAR公司的LT1767集成控制芯片实现的BUCK调整器电路。

3一种变频器通讯转接板3.3V电源的设计

变频器应用在工业现场时，需要同其他的自动化设备一起接入现场的多种现场总线和工业以太网。ANYBUS通讯转接板的作用就是实现自动化设备与现场总线PROFIBUS的连接。

ANYBUS通讯转接板需要2路电源：+5V和+3.3V。其中+5V电压取自驱动板上的AC/DC电源的多路输出。+3.3V是由+5V电压通过非隔离DC/DC电路实现的。

表2 ANYBUS通讯转接板对电源的基本要求

3.1 LT1767调整器的工作原理

变频器ANYBUS通讯转接板的3.3V电源是以LT1767为核心，搭配必要元器件组成的Buck拓扑开关电源（如图3所示）。因为功率MOS管集成在LT1767芯片里，这款电源看起来电路简洁。分析图3的开关电源原理之前，首先看一下LT1767芯片的内部框图，如图2所示。

LT1767采用恒频控制方式，芯片内部时钟和双闭环反馈来控制功率开关的导通占空比。最初的开关周期起始于置位 Flip-Flop的振荡器脉冲。Flip-Flop置位后，输出高电平，开通开关管switch；当开关管中的电流达到电流比较器翻转的阈值时，Flip-Flop复位，输出低电平，关断开关管switch。

3.2 直流3.3V_BUCK调整器的工作过程分析

4.1 直流3.3V开关电源电路板PCB

根据上述的电路原理，我们采用PADS Layout软件设计出3.3V直流开关电源的电路板PCB，如图5所示。PCB布局要尤其注重输入和输出环路的走线。由于LT1767工作于1.25MHz频率，线路的寄生参数和引线电感需慎重考虑。

4.2实测工作电压波形

结论

本文设计的开关电源，经过样板试制和电源测试，证明电源的各项参数和表征能够满足变频器ANYBUS通讯转接板的要求，能够提供高精度的3.3V直流电压，工作稳定可靠。

参考文献

[1] Abraham I. Pressman. 王志强（译）.开关电源设计[M].第三版.北京： 电子工业出版社，2005， 3-20.

[2] 钱照明，程肇基.电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[M]. 杭州： 浙江大学出版社， 2002，121-142.

buck电路范文第4篇

关键词：LM25085；宽输入范围；大占空比

引言

LM25085是一个汽车级的产品，应用温度可达（-40℃-125℃），其输入电压范围很广，并且不需要环路补偿因此具有超快的瞬态响应，其工作模式为恒定导通时间工作状态[1]，工作频率最大可达到1MHz，输出电压从1.25V开始可调，具有内部的软启动计时器；其检测输出电流的方法有两种，一是通过检测MOSFET的导通电阻或者是通过检测串联在电路中的很小电阻的导通压降来进行过流判断[2]。

本文所设计的电路输入电压最低为28V，最高为28.5V，输出电压要求稳定在27.6V对蓄电池进行充电，占空比最大可达到98.6%。由于本文设定条件降压幅度很小，所以如果用N型MOS管，其正向导通压降就会有可能导致其无法降压0.4V，而且大多数的N型MOS管控制芯片都有最大占空比限制，故而不能达到100%[3-4]。因此本文选择P型MOS管控制芯片LM25085，选择的MOS管型号为IRF4906。

1.1 管脚功能介绍

芯片详细内部框图在参考文献[1]中给出，在此主要介绍各引脚：

1脚，ADJ：电流限制调节管脚，电流限制阈值由从VIN到ADJ的一个外部电阻器中设置，这个电阻可以外接一个小电阻也可以通过MOS管的导通电阻。

2脚，RT：导通时间控制和关机，VIN到RT的外部电阻设置降压开关导通时间和开关频率。 将此引脚接地会关闭控制器。

3脚，FB：电压反馈稳压输出，输入到调节和过电压比较器。调节电平为1.25V。

4脚，GND：电路接地，所有内部电路的接地参考。

5脚，ISEN：用于电流限制检测的电流检测输入，使用RDS（ON）检测电流时，连接到PFET漏极。使用电流检测电阻时，连接到PFET源极和检测电阻。

6脚，PGATE：栅极驱动器输出，连接到外部PFET的栅极。

7脚，VCC：栅极驱动器偏置稳压器的输出，负电压稳压器的输出（相对于VIN）偏置PFET栅极驱动器。

8脚，VIN：输入电源电压，工作输入范围为4.5V至42V。

1.2 ⑹选型计算

导通时间计算： ，求得RT=1.43MΩ；

工作频率计算：

求得工作频率为120KHz；

限流阈值：LM25085限流通过检测Q1的RDS（ON）或在主回路的检测电阻上面的压降，并将其与电阻器RADJ上的电压进行比较。当使用检测电阻时，电流限制功能在温度上更准确和稳定，MOSFET的RDS（ON）具有宽的工艺变化和大的温度系数，因此本文采用检测电阻。计算公式为： 。选择Rsen=10mΩ，Radj=2.4KΩ。

输出滤波电感：纹波电流为电感电流斜坡的峰峰值，在设计中电感的选择应保证纹波电流小于规定值。一般规定要小于输出电流的20%，即？驻I=20%IO。此时滤波电感满足：

把电路参数代入上式得滤波电感L=4.5uH。

2 实验验证

以上为Buck电路的测试波形，从图中可看驱动与输出波形基本稳定，输出纹波很小效率在97%以上，满足了设计要求。

3 结束语

本文基于LM25085的控制芯片，进行了大占空比条件下的Buck电路的设计，首先对芯片的参数进行了理论计算，根据计算进行器件选型，然后绘制电路板并进行上电老化测试。测试结果表明设计过程参数选择基本合理，完成了设计要求。

参考文献

[1]TI. SLUS593D. AN-2157 Constant Current Constant Voltage Buck Converter With LM25085[S].TI application note，USA：Texas Instruments Incorporated，2013.

[2]TI.LM25085 42V Constant On-Time PFET Buck Switching Controller[S].TI application note，USA：Texas Instruments Incorporated，2008.

[3]Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计[M].王志强，等译.第二版.北京：人民邮电出版社，2015：114-115.

buck电路范文第5篇

关键词：BUCK 非隔离 准谐振 谷点检测

中图分类号：F02 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0010-02

发光二极管作为光源，具有节能、环保、寿命长三大优势。近年来发展起来的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有广泛的应用前景。因此，LED的推广应用对能源紧缺的世界各国具有十分重要的意义[1-2]。

LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适用的电源或驱动电路。随着对LED照明要求的提高，LED照明对其驱动电源的要求也越来越高。对整灯光效的要求促使LED驱动电源必须具有较高的效率。另外，高功率因数也成为LED驱动电源必须具备的要求。由于安装的要求，LED照明又对其功率密度提出了较高的要求[3-6]。针对上述LED驱动要求，该文提出了基于BUCK电路非隔离LED驱动电源方案。该方案具有以下优点（1）没有光耦且工作频率较高，因此整个电路更加简单，具有更高的功率密度。（2）具有较高的功率因数。（3）反馈电路工作在准谐振的工作模式，使整个电路具有更高的效率。

1 基于Buck变换器的PFC机理

1.1 拓扑结构和电路工作状态

图1为Buck PFC电路，Lf、Cf起滤波作用。为了简化分析，假设：a）电路工作在稳定态；b）所有元器件是理想的；c）电容Cout足够大保证输出电压恒定；d）在一个开关周期内输人电压是常数。

1.2 拓扑结构和电路工作状态

设输人工频交流电压为：

（1）

其中VP为输人工频交流电压幅值。为输人工频交流电压的角频率。

当开关S导通时，流过开关S的电流iS，等于流过电感L的电流iL。

（2）

此处D为开关的导通比，TS为开关周期，t’为一个开关周期内的时间。因此，在每个开关周期开关电流的平均值为：

（3）

图1中滤波电感电容Lf，Cf实现平均。

当D较小时，（3）式可以近似表示为：

（4）

可见交流输人电流与电压几乎同步，且输入电流近似为正弦，功率因子接近1。

对于连续工作模式的BUCK变换器，当开关S导通时，电感和开关电流为：

（5）

输入电流Iin即开关S在一个开关周期的平均电流为：

（6）

可见输入电流始终有一个直流偏移量，这时功率因子将明显降低。

1.3 临界电感

由式（2）可见，在一个开关周期电感电流峰值（即开关电流峰值）为：

（7）

一个开关周期输入能量为：

（8）

一个开关周期内的平均输入功率为：

（9）

半个工频周期内的平均输入能量为：

（10）

因此从交流电网吸取的平均功率为：

（11）

平均功率为：

（12）

由于输入和输出功率必须保持平衡，考虑到变换器的效率?，可以得出：

（13）

因此临界电感为：

（14）

当Buck变换器用于功率因数校正时，其电感量应小于LB，以保证较高的功率因数。

2 准谐振谷点开通技术

开关波形如图2所示，输出电流波形可以用式15表示：

（15）

其中IPK 是电感峰值电流，TEFF是电感电流上升和下降有效时间，tS是开关周期。

准谐振模式为Buck变换器提供了更低的开通电压损耗。因此整个变化器具有更高的效率。（见图3）

3 实验数据和结果

以输入176Vac～264Vac，输出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等为例设计样机。

3.1 稳态工作波形

输入176Vac和264Vac的工作波形图分别如图4和图5所示。

3.2 效率测试

效率随输入电压的变化曲线如图6所示。

3.3 基本参数设计

稳态时基本参数测量结果如图7所示。

4 结语

该文提出的基于Buck电路非隔离的LED驱动电路工作在准谐振模式，且控制电路具有谷点检测功能，因此与一般的BUCK电路相比该驱动电源具有更高的效率。实验结果表明了该驱动电源具有较高的效率和功率因数。验证了该LED驱动电源的可行性与有效性。

参考文献

[1] 钱可元，胡飞.大功率白光LED封装技术的研究[J].半导体光电，2005，26（2）：110-120.

[2] 雷开卓，韦力，刘树林.DCM Buck-PFC电路的临界电感与波形畸变[J].西北工业大学学报，1999，17（4）：589-593.

[3] 严百平，刘树林，陈治明.Buck变换器实现PFC的机理及其仿真[J].电气传动自动化，1998，20（4）：68-71.

[4] 王兆安，刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术，1997（1）：100-104.

[5] Bo-Tao，Yim-Shu Lee.Power-factor correction using Cuk converters in discontinuous capacitor voltage mode opera-tion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（5）：648-653.

buck电路范文第6篇

关键词：Saber Buck 仿真

中图分类号：G43 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（a）-0195-02

《电力电子技术》是电气类学生普遍反映比较难的一门课程，其原因主要在于：一方面电路拓扑结构较多且复杂；另一方面是由于器件工作状态不断变化，导致电路工作状态较多，使得电路工作波形复杂，学生理解起来较为困难。课件的引入，再加上动画演示，能够帮助学生理解各工作状态的波形，但是在教学过程中仍然显得过于理论化，与实践相脱节，很难达到理想的教学效果。引入仿真软件教学后，教师可以在仿真中一边搭建电路，一边针对电路的构成进行讲解，并对各项参数进行修改，仿真后让学生观察工作波形的变化情况，学生对各项参数设计的理解将更为深刻。同时，学生参与到仿真分析中，增加了教学的互动性，同时提高了学生学习的积极性[1]。

Saber是1987年由Analogy公司推出的一款仿真软件，到现在已有二十多年的历史[2]。它主要用于混合信号和混合技术领域的仿真验证，主要分为三个部分：SaberGu

ide、SaberSketch和SaberScope。SaberSketch主要用于绘制电路图，而SaberGuide用于仿真控制，仿真结果可在SaberScope查看。与其他仿真软件相比，Saber具有以下特点：（1）器件库丰富。它包含了各种元器件的理想模型，以及各大公司生产的常用芯片模型。（2）分析功能全面。它既包含了DC工作点分析、时域分析、频域分析等基本分析功能，还包含温度、参数灵敏度、蒙特卡诺、噪声等各种高级分析功能。（3）数据处理能力强大。可以自由的对仿真结果数据进行各种分析和比较乃至运算。因此Saber仿真软件在电力电子仿真中应用非常广泛，将其与电力电子技术教学相结合，将更有助于加强学生对电路工作原理的理解。

1 采用Saber仿真软件教学的必要性

直流变换电路与电力电子技术中其他变换电路相比，结构相对简单，可以作为电力电子技术的入门教学部分。与在模拟电子技术中所学的线性电源不同，电力电子技术中的直流变换电路采用电力电子器件作为开关管使用，电路分为开关管开通和关断两种状态，同时电路采用电感、电容作为滤波或者能量缓冲元件。多种工作状态，以及元器件的多种功能，使得直流变换电路虽然较为简单，但是对于学生来讲，入门分析却较为复杂。Buck变换器即降压变换器，是直流变换电路中最简单的一种，其电路中所用到的元器件在其他更为复杂的电路中也有相同的应用，因此Buck变换器是研究直流变换电路的基础。采用Saber仿真软件逐步对Buck电路结构进行推导，可以加强理解各元器件所起的作用，掌握分析其工作原理的方法，为相关电路的进一步分析打下基础。

另外，在电力电子系统设计的过程中，将设计后的技术指标与数据搭建成仿真电路，由于和实际电路参数一致，其得出的仿真结果与实际电路运行结果基本一致，因此仿真软件经常用来验证设计是否正确，以避免重复实验所造成的浪费，所以目前在电力电子行业中，无论是设计还是研发，都要用到仿真软件进行辅助设计。从这方面考虑，在电力电子技术教学中加入仿真软件的教学，可以加强学生理论和实践相结合的能力，提高学生进入社会后的竞争力。

2 基于Saber的Buck电路结构推导

要实现直流降压变换，最简单的方式莫过于在电路中加入开关管，通过对开关管的周期性控制，来减少电源输送到负载的能量，从而使输出电压的平均值降低[3]。仿真电路如图1（a）所示，电源电压为DC24V，开关管驱动波形周期为T=20μs，占空比D=0.5，即开关管每个周期导通时间ton=10μs。仿真结果如图2（a）所示，显然输出电压Vo的波形与驱动波形相似，为矩形波，其平均值为12V。这种矩形波虽然是直流电压，但是含有大量的交流分量，不适合用于对电压纹波要求较高的场合，因此为减小纹波必须加入滤波器。一般针对电压纹波，可采用电容器进行滤波。我们在仿真电路中的负载上并上470μF的电容，如图1（b）所示，仿真后的波形如图2（b）所示，显然输出电压的交流分量被滤除，只剩下直流分量，近似于恒定的直流电压，其大小为原波形的平均值Vo=DVin=12V。但是，由于输入电压与输出电压不相等，开关管的通断必然引起电容上电压的突变，导致电容产生很大的充放电流，引起电流尖峰。由仿真结果可以看出，开关管上的电流尖峰为输出电流的5倍以上，很容易导致开关管的损坏。为了抑制电流尖峰，保护开关管，可以考虑在电路中串入能够抑制电流变化的电感元件。我们在仿真电路的开关管上串入100μH的电感，如图1（c）所示。仿真后的波形如图2（c）所示，可以看出电路中的电流尖峰减小到了开关管可承受的范围。但这样，电路是否就能正常工作了呢，我们观察开关管DS两端的电压可以发现，它大大超过了开关管的耐压值。其原因是串入电感后，由于开关管的通断，造成流过电感的电流突变，电感的感应电压与输入电压相叠加后加在开关管DS两端，造成电压尖峰，开关管瞬间击穿损坏。然而此时不能再并入电容对电压尖峰进行抑制，否则会循环产生电流尖峰，因此在开关管关断时，必须为电感电流提供续流路径，而在开关管开通时此路径必须关断，即该路径必须具有单向导电性，由此，我们可以选择并入二极管，并且方向为阴极朝上。修改后的仿真电路如图1（d）所示，这就是Buck变换器完整的电路结构。电路的工作波形如图2（d）所示，电路正常工作。通过以上的分析可以得出主要元器件的作用。

开关管主要用来控制能量的输送，开关管在一个周期内开通时间越长，负载得到的能量越多，输出电压越高，反之则输出电压越低。

电容主要用于滤波，保证输出电压的平稳。

电感用于缓冲能量，抑制电容产生的电流尖峰。

二极管为电感电流提供续流通路。

另外，若需进一步抑制开关管和二极管上的电压尖峰，可以继续引入RCD缓冲电路的教学。

以上的仿真实例可以清楚的演示出Buck电路的推导过程，通过对工作波形的分析，逐步加入所需的元器件，有效的加强了学生对各元器件功能以及电路工作原理的理解。

3 结语

通过教学实践，我们可以发现，在电力电子技术教学过程中采用Saber仿真软件，对电路结构进行逐步推导，能够使分析过程更为直观，其工作波形的变化使各元器件的作用一目了然，教学过程更为形象有趣，学生的学习和参与的积极性被充分调动起来，在学习的过程中学生也能主动设计电路，加强了理论和实践相结合的能力，为以后的学习和工作打下坚实的基础。

参考文献

[1] 王红梅，黄华飞，唐春霞.Saber仿真在电力电子教学中的应用[J].装备制造技术，2007（1）：80-82.

[2] 丘东元，眭永明，王学梅，等.基于Saber的“电力电子技术”仿真教学研究[J].电气电子教学学报，2011，33（2）：81-84.

buck电路范文第7篇

关键词：光伏阵列模拟器；数字信号处理器（DSP）；BUCK电路；电流差值控制；IV特性；模拟

中图分类号：TM615 文献标识码：A

光伏阵列模拟器可以代替实际光伏阵列装置用于实验室研究光伏系统负载能力与性能，因此，光伏模拟器的研究已成为近十年国内外的研究热点[1-3].

光伏阵列模拟器的研究内容主要集中在3个方面：1）研究模拟算法，主要算法包括弦截法、数值迭代法和逐点逼近法等[4-5].其中，弦截法需要求解复杂的超越方程，运算量大.数值迭代法与逐点逼近法的性能与逼近步长的大小密切相关，大步长的算法收敛速度快，但精度差、超调大；小步长的算法稳定性较好，但动态响应速度慢.2）研究模拟器的实现技术，大多用DSP和FPGA 等数字控制器作为模拟器的控制器，采用现代电力电子电路作为模拟器的主电路[6-8].3）建立光伏阵列的仿真模型，通过仿真验证模拟器的效能[8].

本文采用TMS320F2812 DSP作为控制器，使用IGBT作为BUCK电路的主开关，研究与设计了一台能实现最大短路电流5 A，最大开路电压50 V，最大光伏输出功率150 W的光伏阵列模拟器样机，并提出了一种新的模拟算法.该模拟算法实时采集模拟器负载电流和电压，将负载电压值代入光伏特性工程数学模型，根据选定的光伏环境条件计算参考电流，用负载电流与参考电流的差值产生控制电压，生成BUCK开关占空比d，调节模拟器输出电压，使模拟器工作点逐点逼近光伏阵列IV特性的参考工作点，实现对光伏阵列输出特性的模拟.MATLAB仿真和实验结果表明，模拟器能准确跟踪参考工作点，并且超调小于4%，稳态误差小于1%，逼近过程的振荡小，能实现光伏阵列在多条件下完整的IV特性曲线模拟.

1光伏阵列的特性与工程数学模型

光伏阵列的特性与工程数学模型是研究与设计光伏模拟器的理论基础.模拟器的基本工作原理就是通过控制BUCK电路主开关的占空比，调节其输出电压与电流尽可能接近于光伏阵列输出IV特性曲线上对应点的电压与电流，从而实现对不同光照量S和环境温度T条件下的不同光伏阵列输出IV特性曲线的模拟.

3.2仿真与模拟实验结果

条件①的仿真和模拟实验波形分别如图7和图8所示，负载由20 Ω突变为40 Ω.

条件②的仿真和模拟实验波形分别如图9和图10所示，负载由25 Ω突变为12 Ω.

由图7～图10可知，模拟器实际运行特性与仿真结果非常吻合，模拟器算法能够快速、精确地模拟各种不同条件的光伏阵列输出IV特性，能够在不到80 ms的时间内实现跟踪，且系统稳定性好.

3.3算法对比实验结果

为了验证本文算法的有效性，在模拟器样机上进行了传统逐点逼近法与本文算法的对比实验.对比实验的条件为：S=800 W/m2 ，T=32 ℃，电阻从11 Ω突变到22 Ω.

实验波形如图11所示.从图11（a）可以看出，模拟跟踪的过渡过程时间为300 ms，在达到稳态时还出现了小幅振荡.图11（b）模拟跟踪的过渡过程时间约为80 ms，约为传统逐点逼近法的25%，且逼近过程振荡很小，超调小于4%，稳态误差小于1%.

4 结论

本文提出的模拟算法实时采集模拟器负载电流和电压，依据负载电压值计算光伏阵列特性对应的电流，与实际负载电流比较，差值电流生成控制模拟器BUCK开关的控制信号，使模拟器输出工作点逼近光伏阵列特性的对应工作点，实现光伏阵列输出特性的模拟.采用TMS320F2812 DSP和IGBT BUCK研究与设计了一套光伏模拟器样机，并给出了模拟算法流程图.Simulink仿真和实验结果验证了模拟器能够实现不同光照和环境温度下的光伏特性曲线完整模拟，具有动态响应速度块、模拟精度高和工作点振荡小的特点，可以在光伏发电系统研究中代替实际的光伏阵列装置.

参考文献

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[6]杜柯.基于DSP的光伏电池数字模拟系统研究[D].武汉：华中科技大学电气与电子工程学院，2006.

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buck电路范文第8篇

关键字：BUCK，峰值电流模式，PWM，建模

中图分类号：TP183 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）08-0064-03

0 引 言

BUCK变换器是DC-DC变换器的重要分支，广泛应用于各类便携电子产品、汽车、通信设备等。传统的BUCK型变换器有两种控制模式：电压控制模式和电流控制模式[1，2]。峰值电流模式是一种典型的电流控制模式，它具有闭环响应快、控制环路设计简单、自动瞬间峰值电流限流、自动均流并联等优点，虽然也有易产生次谐波振荡、对噪声敏感、多路输出的交互调节性能不佳的缺点，但仍然得到了广泛的应用[3]。

本文基于传统的峰值电流模式的控制结构，提出了一种新型的峰值电流模式同步整流控制结构，使得电路结构更加简单，反应速度更快等。

1 峰值电流模式控制电路结构

1.1 传统的峰值电流模式同步整流控制结构

传统的峰值电流模式同步整流BUCK型DC-DC变换器控制结构[4]如图1所示。电路主要由功率管M1和同步管M2、电感、输出电容、反馈电阻、误差放大器、斜坡补偿电路、PWM比较器及控制逻辑组成。

该结构有两个反馈环路：电流内环路和电压外环。电压外环检测输出电压，输出电压经过分压电阻后与基准电压输入到误差放大器，经误差放大器处理的电压、斜坡控制产生的电压及采样电压作为PWM比较器的输入，经过PWM比较器后输入控制逻辑，从而产生占空比为D的控制信号，控制主功率管与同步管的开通与关断，形成电压环路。Rsense电阻检测开关管电流，形成采样电压，输入到PWM的反相输入端，形成电流内环。电流内环在每个周期内瞬时快速地进行逐个脉冲比较，实时监测电感电流的动态变化。这样，功率开关管的调节不仅受到输出电压的影响，还受到功率管的峰值电流大小的影响。因此，电流型控制模式相对于电压型，对输入输出变化的响应速度更快，工作带宽更宽。

1.2 新型的峰值电流模式同步整流控制结构

本文提出的新型的峰值电流模式同步整流控制结构图如图2所示。相对于传统的控制结构，本设计的PWM电流比较器的反相输入端是误差放大器输出与输出电压经过斜坡补偿后的信号，同相输入端为输出环路上采样到的电感电流形成的电压。改进后的结构，相对于传统结构，电路规模更小，更易于集成，反应速度更快等。

2 系统建模与分析

本设计中基准电压输入到误差放大器的同相输入端，反馈电压输入到误差放大器的反相输入端，经过误差放大器后的信号及输出信号经过补偿网络产生控制电压，该控制电压产生电感电流的基准，电流比较器与PWM电压比较器共用合并为一个PWM电流比较器。基准输入到电流比较器的同相输入端，采样信号输入到电流比较器的反相输入端。经过PWM电流比较器的信号与RS触发器形成占空比为D的信号，经过驱动逻辑后，控制主功率管与同步管的开通与关断。

电感电流通过采样电阻反馈电压到电流比较器的反相输入端，从而形成电流负反馈回路。同时，电感电流经过输出滤波器与负载形成稳定的输出电压，输出电压经过分压电压反馈回到误差放大器的反相输入端，从而形成电压负反馈回路。

输入电压的变化和输出负载的变化都会影响输出电压，根据上述对系统的分析过程，对系统建立模型，图3所示是新型控制结构建模方法图。由分析可知，该系统有两个负反馈回路：快速响应的电流内环与电压外环。根据控制系统的稳定性理论，要使系统稳定，两个环路都必须稳定，首先应该使电流内环稳定，再使电压外环稳定。

其中，Vref为参考电压，本设计中为0.8 V，iL为电感电流，iload为负载电流，Zout（s）为负载网络。

其中系统的高频次极点出现在工作频率的大约1/2处，即50 kHz，系统的单位增益频率为25.1 kHz，但是相位裕度仅仅只有0.69°，系统会出现严重的不稳定。通过在误差放大器输出端加入补偿网络，利用Matlab仿真补偿后的系统，其频率响应结果如图6所示。可以看到，此时系统的单位增益频率为25.4 kHz，相位裕度却增大到57.6°，系统能非常稳定地工作。

4 结 语

本文基于传统的峰值电流模式的控制结构，提出了一种新型的峰值电流模式同步整流BUCK控制结构，使得电路结构更加简单，反应速度更快等。利用经典控制理论方法，对系统进行建模分析，得到系统的传递函数，最后运用Matlab进行仿真，验证了系统方案的可行性。

参 考 文 献

[1] Abraham I. Pressman， Keith Billings， Taylor Morey. 开关电源设计[M]. 3版.北京： 电子工业出版社，2010.

[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].修订版.北京： 电子工业出版社， 2005.

[3] 金梓才. 一种高效率DC-DC转换器的设计[D] .上海：上海交通大学，2009.

[4] 陈程，王慧芳，徐祥柱，等.一种应用于DC/DC转换器的高效PWM控制电路的设计[J].中国集成电路，2011，20（8）：46-52.

[5] 吴国明. 高效率降压型DC-DC控制器的设计[D]. 杭州：浙江大学，2007.

buck电路范文第9篇

【关键词】Buck电路；闭环控制；PWM环节

1.引言

随着电力电子技术的迅速发展，高频开关电源变换器已广泛应用于计算机、电信、航空航天等领域。其核心是电能形式的变换和控制，并通过电力电子电路实现其应用。Buck变换器是开关电源变换器中最常见的一种，主要应用于低压大电流领域，有众多拓扑。但简单的Buck电路输出电压不稳定且会受到负载和外部的干扰。为了达到稳定输出电压的目的，在电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，获得较好的动态性能。

2.Buck变换电路控制系统的基本原理

2.1 单闭环调节系统的设计和主电路模型

具有电压控制的Buck变换器开关调节系统如图1所示，主电路为Buck变换电路[1]，控制电路采用电压负反馈。在负反馈电路中，输出电压U经采样后与给定的参考电压U比较，得到误差信号Ue送至控制器，控制器输出信号Uc送至PWM环节，与PWM环节中的振荡器产生的锯齿波时钟信号比较，使比较器输出周期不变，脉冲宽度即占空比d受Uc调制的一系列脉冲信号，再通过驱动器将脉冲信号放大，控制变换器的功率开关器件的导通与关断。由于电压和负载发生变化，或系统受到其他因素干扰使输出电压发生波动时，通过负反馈回路[2]可调节开关变换器的功率器件在一个开关周期内的导通时间，达到稳定输出电压的目的。

2.2 双环开关调节系统的设计

为了克服单环系统在控制和环节上的延迟，在电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，可获得较好的动态性能。双环开关调节系统[3]框图如图2所示。电流控制环是由开关变换器﹑电流采样器I/V、电流控制器和开关控制器组成。电流采样器的作用是将主电路的电感电流iL或功率开关管的电流或整流二极管的电感电流变换为电压信号URs。BU是电压控制器，其作用是将输出电压U与参考电压Uref相比较产生误差电压信号UCP，为电流控制环提供控制信号。BC是电流控制器，其作用是将电流采样器[4]的输出电压URs与参考电压UCP相比较产生控制电压UCA，并作用于开关控制器，讲模拟量调制为脉冲量d（t），电流控制环和电压控制器组成了电压控制环。电流控制环是内环，实现电流自动调节；电压控制环是外环，实现电压自动调节。

3.Buck变换电路控制系统的建模与仿真

3.1 控制回路建模与参数设置

（1）控制系统采用电压、电流双闭环结构。为了使系统响应时间比较短，并尽可能减小误差，外环电压控制器选用PI控制器。这里Kp和Ki分别为比例常数和积分常数，其值分别设置为1.6和16，采用饱和控制模块限幅值为2.5。电流内环采用电流比较脉冲环节，即把电压控制器输出的电流与反馈电流进行比较产生脉冲信号输出，用于控制全控器件IGBT，滞环宽度设为2.5。

（2）Buck变换电路主回路的建模及参数设置。

图3为由IGBT组成的Buck变换电路仿真模型，主电路由直流电源、全控器件IGBT、续流动二极管、输出滤波电感及负载组成。参数分别设置R=50Ω，L=2e-3H，C=2e-6F，电源电压为100V。

3.2 Buck变换电路控制系统的仿真

利用Simulink中SimPowerSystems功能模块，打开仿真窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-3，为了与开环电路性能进行比较，图4给出了定值50V，仿真时间为0.002s控制仿真结果，负载两端输出电压波形如图4所示。

4.结语

详细介绍了Buck变换电路控制系统的基本原理，探讨了采用Buck变换器的双环开关调节系统的原理和控制策略。对Buck变换电路控制系统建模，仿真结果表明Buck电路电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，可获得较好的动态性能。

参考文献

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社，2008.

[2]冯巧玲，吴娟，邱道尹.自动控制原理[M].北京航空航天大学出版社，2004.

[3]张兴.高等电力电子技术[M].机械工业出版社，2011.

作者简介：

夏伟（1988—），男，湖北鄂州人，现就读于武汉纺织大学机械工程与自动化学院，主要研究电力电子技术。

薛勇（1966—），男，武汉纺织大学机械工程与自动化学院副教授，硕士生导师。

buck电路范文第10篇

【关键词】DC/DC变换器；主回路；控制回路；连续模式

开关电源可以分为AC/DC和DC/DC两大类，而DC/DC变换器相对于AC/DC来说，其设计水平和工艺水平较为成熟和标准。DC/DC变换是将直流电压变换成另一数值的直流电压，按其工作方式可以分为两种：脉宽调制方式（PWM）和频率调制方式（PFM）；按其具体电路可以分为以下几类：降压（Buck）型电路、升压（Boost）型电路、降升压（Buck-Boost）型电路、Cuk型电路和SEPIC（single-ended primary inductance converter）型电路。

1. BUCK型DC/DC原理

DC/DC变换器可分为不隔离式DC/DC变换器和隔离式DC/DC变换器。在不隔离式变换器中，根据输入与输出电压的关系又可分为降压型、升压型、升压/降压型和反相型DC/DC变换器。

1.1 Buck型DC/DC的基本工作原理。

（1）Buck型DC/DC是实现降压功能的直流输出变换器，输出电压一般小于输入电压。它由开关管，续流二极管，储能电感和输出滤波电容组成，其工作原理如图1所示：

（2）当MOS管导通时，续流二极管D处于关断状态，电源电压Ui开始向电感L充电，电感电流线性增加，能量被存储在电感中。同时，C开始充电，输出电压Uo线性增加。经过Ton时间后，MOS管关断，电感电流会在瞬间保持不变，利用方向相反地电动势使得二极管D导通，电感中储存的能量通过续流二极管来给负载供电。电感电流随后开始减小，当开关管关断状态结束时，电感电流下降到最小值。

1.2 Buck型DC/DC的控制方式。 按照控制机制的不同，DC/DC变换器可分为PWM（Pulse Width Modulation）、PFM（Pulse Frequency Modulation）和混合控制方式（PWM-PFM）三种。 为了不希望有较大的开关噪声和复杂的控制电路的设计，在本文中我们选择PWM调制方式。

2. 主回路设计

（1）主电路图如图2所示： 设计初确定选用100kHz的开关频率由Ui=48V，Uo=5V～36V，Iomax=2A，则可得负载电阻最小范围为2.5Ω～18Ω，占空比D=0.104～0.75。BUCK电路有两种工作模式，即连续（CCM）和断续（DCM）。为使电路输出纹波小，本电路选择工作在CCM模式下。并采用在一个开关周期求变量平均值的方法来计算各参数。

（2）为了简化分析，在理想变换器中，将有源开关元件与二极管都视为理想开关，忽略它们的导通压降和截止电流，且认为开关动作是瞬时完成的，则连续导电模式下DC-DC变换器在每个开关周期内都有两种不同的工作状态（即开关管导通和关断）。

（3）工作状态1 开关管导通，其等效电路如图3所示，工作状态2 开关管关断，其等效电路如图4所示。

3. 控制回路设计

该开关系统为闭环、双环控制，内环为电流环，外环为电压环。系统框图如图5所示：

3.1 BUCK电路小信号模型。首先对Buck电路进行小信号分析并得出电路传递函数。图6为Buck电路的直流等效电路。图7为Buck电路的小信号等效电路。

3.2 电压环设计。电压环系统框图8所示【H2（s）=0.1】，为达到限电流目的，电流环的输入电压需约束在0.2V以内，可用运放或稳压二极管实现。

4. 系统仿真及原理图

4.1 电路仿真。仿真电路如图9所示。

4.2 仿真结果。 图10中，在时刻0参考电压输入，令输出变为最大输出36V，电流2A，在时刻5mS处，输入参考电压跳变，使输出变为20V，系统电压与电流的调整时间都远小于指标的5mS，性能优良，负载为18欧，则在第一时段内，电流满载输出，但在第二时段内，由于电压变为20V，因而电流成为1.12A，在此段内稳压功能起作用。 图11参考输入同仿真1一样，但输出负载为15欧，在时间段1，由于电流限流2A，因而输出电压无法达到36V，所以此段内限流功能起作用。时间段2，由于输出电压小于电流满载时的电压，因而此段为稳压功能起作用。 参考输入电压变化同图12所示，输出负载为5欧，因而在两个时间段内，电流都达到满载输出，电压则被拉低，整个过程限流功能起作用。

本次设计是在掌握开关变换技术的原理和典型电路、熟悉MATLAB和Simulink环境的基础上，搭建连续模式（CCM）下BUCK结构DC-DC转换器的仿真电路，建立起线性模型，得到由控制到输出的传递函数，对系统进行补偿，是系统的输出达到最优。并进行仿真分析，调整电路结构、元件参数和仿真参数，以期得到理想效果。

参考文献

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