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Saber仿真作业--Buck变换器的仿真设计1、Buck变换器设计性能指标输入电压：Vin=30~60VDC(额定48V)输出性能：Vout=24VDC Vout(p-p)25mV Iout=2A Iout=0.1A时，电感电流临界连续其他性能：开关频率 200kHz2、Buck变换器主电路设计2.1占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围：Dmax=Uo/Uimin=24/30=0.8Dmin=Uo/Uimax=24/60=0.4Drated=Uo/Urated=24/48=0.52.2滤波电感Lf、滤波电容Cf设计(1)滤波电感Lf计算(2)滤波电容Cf在开关变换器中，滤波电感值是根据输出电压的纹波要求来选取的。根据设计要求，Vout(p-p)25mV选择滤波电容值为10uF3、Buck变换器闭环控制参数设计闭环控制原理：为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标，需要对变换器进行闭环控制，其工作原理为：输出电压采样与基准电压进行比较产生误差信号，再将误差信号送至补偿网络（补偿网络的作用:1、对误差信号进行反向放大，为PWM比较器提供一个控制信号vc（t）。2、对系统进行适当的幅度和相位补偿）。将补偿网络得到的控制信号与PWM进行比较产生脉宽调制波，控制Q的通断。图3.1 具有反馈环的Buck变换器系统结构示意图4、Buck变换器的闭环电路参数设计4.1 Gvd(s)的传递函数分析在CCM情况下，占空比D到输出电压的小信号传递函数为：该Buck变换器的输入电压为30~60V（额定输入为48V），输出电压为24V，输出电流为2A，Lf=360uH，Cf=10uF，取，，用Mathcad画出Gvd(s)的幅频特性曲线及相频特性曲线，如图4.1、图4.2所示。图4.1 Gvd(s)幅频特性曲线从图4.1可以求得，Gvd(s)的低频增益为39.913dB,谐振频率fr=2.48kHz,截止频率fc=21.96kHz,并且斜率为-40dB/Dec图4.2 Gvd(s)相频特性曲线从图4.2中可求得，其相角裕度为30度。相角裕度要进行适当补偿。4.2补偿环节Gc(s)的设计选择双零三极补偿确定环路增益的截止频率fc为了使系统响应速度较快，那么fc越大越好；为了抑制开关频率干扰，fc越小越好。因此通常去fc=(1/4~1/6)fs。这里去fc=1/5fs=40kHz。由|Gvd(40kHz)|=0.438得：若参考电压Vref=5V,则H（s）=5/24；又取Vm=3V，那么：环路增益低频段要有高增益由Gvd(s)的幅频特性曲线可知，在低频段增益较低，因此要通过补偿电路提供积分环节。环路增益高频段迅速衰减通过补偿电路增加两个极点，一个用来消除ESR所引起的零点的影响，另一个用来使高频段以-40dB/Dec的斜率衰减。环路增益要有足够的相角裕度通过补偿电路增加2个零点，对二阶震荡环节的相位进行补偿，从而获得足够的相角裕度。综上所述，补偿电路采用双零双极和积分环节的电路。图4.3 补偿电路图其中，，，，4.3 补偿环节参数设计环路增益T(s)=Gc(s)Gvd(s)H(s)/Vm,且要保证其截止频率fc=40kHz,并且满足T(s)性能要求，令其中，为截止角频率，。根据|Gc(fc)|=32.88得，K=3.875x104。因此，由下面的方程接触参数：取,则解得各参数如下：，，，，取参数为：，，，，图4.3 tt(f)幅频特性曲线图4.4 tt(f)相频特性曲线从图4.3、图4.4的环路增益特性曲线可知：满足T(s)在低频段有高增益，在截止频率处斜率为-20dB/Dec，在高频段以-40dB/Dec的斜率衰减，同时相角裕度为130度。5、BUCK变换器理想模型闭环仿真图5.1 BUCK变换器仿真原理图理想模型闭环仿真结果：图5.2 输入电压波形图图5.3 输出电压波形图图5.4 输出电压纹波图图5.5 输出电流波形图由图5.2~5.5可知，当输入为额定值48V时，输出为24V，且输出纹波值20mV，输出电流值为2A，满足设计要求。6、BUCK电路实际器件选取6.1 滤波电感的选取由于Lf的电流是单向流动的，具有较大的直流激磁分量，再叠加一较小的交流磁化分量，故工作于第三类工作状态。因此磁芯最大工作磁密可以选的很高，接近于饱和磁密。由于Lf的正常工作时电流最大值为2.2A，故选能承受2.2A电流的电感，并且电感寄生电阻为5mΩ。6.2 滤波电容的选取根据仿真结果可知，由于变换器初始化时电容有一个过冲电压，故电容选择为50V耐压。并且电容的寄生电阻为20mΩ,选10uF/50V电容。6.3 续流二极管的选取续流二极管所承受的最大反向电压为60V，在Io=2A时，其有效值为1.414