题目:Buck 电路的设计与仿真
1、Buck 电路设计:
设计一降压变换器,输入电压为 20V,输出电压 5V,要求纹波电压为输出电压的 0.5%,
负载电阻 10 欧姆,求工作频率分别为10kHz 和 50kHz 时所需的电感、电容。比较说明不同
开关频率下,无源器件的选择。
解:(1)工作频率为 10kHz 时,
A.主开关管可使用 MOSFET,开关频率为 10kHz;
B.输入 20V,输出 5V,可确定占空比 Dc=25%;
C.根据如下公式选择电感
L
c
(1 D
c
)R
(1 0.25)10 1
T
s
3.7510
4
H
2 2 10000
这个值是电感电流连续与否的临界值,L>
L
c
则电感电流连续,实际电感值可选为 1.2
倍的临界电感,可选择为
4.510 H
;
D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值
C
4
U
0
(1 D
c
)
2
5 (1 0.25) 1
4
T
s
=
4.1710 F
4 2
8LU
0
8 4.510 0.005 5 10000
(2)工作频率为 50kHz 时,
A.主开关管可使用 MOSFET,开关频率为 50kHz;
B.输入 20V,输出 5V,可确定占空比 Dc=25%;
C.根据如下公式选择电感
L
c
(1 D
c
)R
(1 0.25)10 1
T
s
0.7510
4
H
2 2 50000
4
这个值是电感电流连续与否的临界值,L>Lc 则电感电流连续,实际电感值可选为 1.2
倍的临界电感,可选择为
0.910 H
;
D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值
C
U
0
(1 D
c
)
2
5 (1 0.25) 1
4
T
s
=
0.833 10 F
4 2
8LU
0
8 0.910 0.005 5 50000
分析:
在其他条件不变的情况下,若开关频率提高 n 倍,则电感值减小为 1/n,电容值也减小
到 1/n。从上面推导中也得出这个结论。
2、Buck 电路仿真:
利用 simpowersystems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输入电压为 20V 的
直流电压源,开关管选 MOSFET 模块(参数默认),用 Pulse Generator 模块产生脉冲驱动开关
管。分别做两种开关频率下的仿真。
(一)开关频率为 10Hz 时;
(1)使用理论计算的占空比,记录直流电压波形,计算稳态直流电压值,计算稳态直流
纹波电压,并与理论公式比较,验证设计指标。
由第一步理论计算得占空比 Dc=25%;
实验仿真模型如下所示(稳态直流电压值为 4.299V):