-
编号
南京航空航天大学
电
气
工
程
综
合
设
计
报
告
题
目
学生姓名
张潼
杨岚
何晓微
龚斌
李博
Buck
电路闭环控制策略研究
班级
0311205
0311205
0311201
0311206
0311205
学号
031120505
031120508
031120110
031120631
031020519
成绩
学
院
自动化学院
专
业
指导教师
电气工程及其自动化
毛玲
二〇一五年一月
电气工程综合设计
（论文）
报告纸
Buck
电路闭环控制策略研究
摘
要
首先，本文对
Buck
电路的
3
种闭环控制策略
进行了原理分析，比较，并对
Buck
主功率级
电路进行了原理分析和建模，最后完成主电路的参数设计。
< br>其次，本文详细阐述了
V2
控制工作原理，推导
V2
控制环的传递函数，并且建立小信号模
型，
对控制器进行优化设计。最后使用
SABER2007
对
BUCK
电路的
V2
控制电路进行了时域频
域仿真。
关键词
：
Buck
电路，
V2
控制
i
电气工
程综合设计
（论文）
报告纸
目
录
摘
要
.
.............................
..................................................
..................................................
.......
i
Abstract ..............................
..................................................
......................
错
误！未定义书签。
第一章
概述
.
..
..................................................
..................................................
.................. - 1 -
第二章
Buck
变换器控制方法简介
………………………………………………………
2.1
电压型控制
………………………………………………
……………………………….
2.2
电流型控制
………………………………………………………………………………
2.3 V2
控制
…
…………………………………………………………………………………
第三章
B
uck
变换器原理分析及建模
………………………………………
…………….
3.1 Buck
变
换器传递函数
………………………………………………………………….
3.2
Buck
电路的边界条件
…………………………………………………………………
…
3.3
主功率电路的参数设计
………………………………………………………………..
第四章
V
2
控制电路分析及设计
………………………………………………
………..
4.1V2
控制原理分析
4.2 V2
控制的
buck
变换器小信号模型
4.3V2
控制器优化设计
第五章
电
路仿真
…………………………………………………………………………
< br>
5.1V2
控制策略频域仿真
5.2
时域仿真电路和仿真波形
ii
电气工程综合设计
（论文）
报告纸
1.1
课题背景
第一章
概述
随着
C
PU
运算速度和工作频率的成倍提高，低电压，大电流，小电压容差使微处理器对
其供电电源及电源管理系统的要求越来越高。在开关电源的控制技术中，传统的电压型控制
仅仅通过检测输出电压进行单环反馈控制，虽然电路简单，但是对输入电压和负载变化的响<
/p>
应速度慢；电流型控制方法在输出电压检测的基础上又引入电感电流或者开关电流检测，进
行双环反馈控制，提高了变换器的响应速度。但是随着微处理器对供电电源及电源管理系
统
性能要求的不断提高，现有的控制方法已经很难满足负载特性日益苛刻的要求，采用输
出电
压双环反馈技术的
V2
控制方法应
运而生。
1.2
课题主要研究内容
本文主
Buck
电路的闭环控制为研究对象，研究
Buck
变换器的工作原理、控制方式及参
数设计方法，着重研究
Buck
变换器的
< br>V2
控制。其主要内容主要分为以下五章：
第一章
介绍课题研究背景，以及课题研究的主要内容。
第二章
对三种常见的
Buck
变换器控制方法进行综述。将三种方法的优缺点进行比较。
第三章
研究
Buck
变换器，
分析其两者工作模态，
推导了
Buck
变换器功率级模型及稳态
传递函数。对主功率电路进行参数设计。
第四章
从
V
2
控制方案入手，设计控制电路。
第五章
用
S
aber
软件对电路进行仿真。
第六章
总结了本文所做的工作。
- 1 -
电气工程综合设计
（论文）
报告纸
第二章
Buck
变换器控制方法简介
开关电源由功率级和控制电路两部分组成。控制电路的功能是在输入电压、内部参数、
外接负载变化时，调节功率级开关器件的导通时间，使开关电源的输出电压或者电流保持恒
定。因此，在开关电源的设计中，控制方法的选择和设计对于开关电源的性能来说是十分重
要的。采用不同的检测信号和不同的控制电路会有不同的控制效果。
2.1
电压型控制
图
1
所示为电压型控制
Buc
k
变换器，
图
2
为其对应的主要波形。
从图
1
可以看
出，
电压
型控制方法是利用输出电压采样作为控制环的输人信号
，
将该信号与基准电压
Vref
进行比
较，
并将比较的结果放大生成误差电压
Ve
。
误差电压
Ve
与振荡器生成的锯
齿波
Vsaw
进行比较生
成一脉宽与<
/p>
Ve
大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路
(
图中未画出驱动电路
)
驱动
开关管导通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。
L
+
V
DC<
/p>
Vsaw
Ve
Vo
VD1
C
R
-
Vp
比较器
Ve
+
< br>-
误差放大器
+
-
Vref
基准电压
图
1
电压控制型
图
2
电压控制型波形图
- 2 -
电气工程综合设计
（论文）
报告纸
2.2
电流型控制
< br>电流型控制同时引入电容电压和电感电流
2
个状态变量作
为控制变量，提高开关电源
PWM
控制策略的性能。由图
3
和图
4
可以看出，
电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在
于：电流型控制方法用开关电流波形代替
电压型控制方法的锯齿波作为
PWM
比较器的一个
输入信号。电流型控制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位开关
管导通，开关电流由初始值线性增大，检测电阻
Rs
上的电压
Vs
也线性增大，当
Vs<
/p>
增大到
误差电压也时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关管
关断。直到下一个时钟脉冲到来
开始一个新的周期。
L
+
V
DC
Vo
VD1
C
R
时钟
-
Ve
Vs
比较器
R
C
L
R
误差放大器
+
-<
/p>
Ve
+
Vref
-
基准电压
Vs
图
3
电流控制型
图
4
电流控制型主要波形图
2.3
V2
控制
由于
V2
型控制方法具有优秀的动态性能，适用于电压调整模块等对动态特性要求比较
高的场合。由图
3
和图
5
可以看出，
V2
控制方法与电流
型控制方法的区别在于：
V2
控制方
法
用滤波电容电压采样代替了电流型控制方法中
PWM
比较器的电
流采样输入。输出电压
K
反馈回来作为
2
个控制环的反馈量。
V2
控制方法稳
态时的工作原理为：在每个周期开始时，
时钟信号使锁存器复位、开关管导通，开关电流
iL
由初始值线性增大。由于负载电流固定不
< br>变，所以该变化的电流完全通过滤波电容的
ESR
给滤波
电容充电，从而在
ESR
上产生与电
感
电流斜率相同的压降
Vq(Vq=iL
Rs)
。该电压即为内环的采样电压。当
Vq
增大到误差电压
- 3 -
S
E
T
33
MHz
S
Q
Q
Vp
Vp
电气工程综合设计
（论文）
报告纸
Ve
时，比较
器翻转，锁存器输出低电平，开关管关断，直到下一个时钟脉冲信号到来，开始
一个新的
周期。
V2
控制方法的稳态波形如图
6
所示。
传统的电流型控制事实上是控制电感电
< br>流。当使用
Buck
变换器时，若电感在输出部分，则电
流型控制是非常有效的。但是对于反激
变换器和
boost
变换器拓扑，电感不在输出部分，电流型控制的许多优点体现不出来。
V
。控
制方法由于内环检测点在输出部分，
< br>提高了
Buck
变换器和正激变换器对输入和输出静态和
动
态变化的响应速度，
解决了电流型控制方法存在的问题。
V2
控制方法由于内环采用反馈输出
电压的
纹波，因而与电流型控制方法一样，抗干扰能力差。当占空比大于
50
< br>％时，会产生次
谐波振荡，所以也要使用斜坡补偿。
V2
控制方法可与普通的控制方法如定频、定开通时间和
滞环控制配
合使用以提高系统的响应速度。在使用定关断时间的
V
2
控制方法时可免于使用
斜坡补偿。
V2
控制方法对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并联使用，需
要额外的电路来进行过流保护。
L
< br>i
L
S
D
_
V
in
+
驱动
R
E
C
i
o
+
R
V
O
+
-
VS
V
cap
-
_
+
误差放大器
V
RE
F
参考电压
V
p
锁存器
R
Q
S
比较器
_
+
Vc
时钟
图
5
V2
控制型
时钟
Vc
Vs
Vp
图
6
V2
控制型主要波形图
- 4 -
电气工程综合设计
（论文）
报告纸
第三章
Buck
变换器原理分析及建模
电源在各种电子系统中占有极其重要的位置。随着电力系统的日趋复杂，规模的逐渐庞大，<
/p>
各种系统对电源的性能要求越来越高
,
需
要采用更快速更稳定的电源控制方法。
数字化开关电
源具有易于
模块化管理、体积小、稳定性高、抗干扰能力强、控制灵活的特点。
Buck
变换器
的输出阻抗最低，对输入电压和负载的变化具有最快的响应速度，且
输出电压纹波最小。
3.1
Buck
变换器传递函数
开关电源的主回路是一个分段线性系统，
各段之间是不连续的，
控制
回路是一个线
性系统．
对于这样一个由分段线性和线性两部分构成的系统
，
要建立一个既便于分析又精
确的模型是相当困难的．
但是在所关心的信号频率比开关频率低的多时，
可以利用状态空
间平均法将开关系统近似为连续系统
，
在交流变量幅度与直流工作点相比足够小的时候
，
可以使用线性化的方法使非线性系统近似为线性系统
。
3.2
Buck
电路的边界条件
开关转换线路是否工作在
CCM
或者
DCM,
主要取决于流过电感电流是否
连续，
当电感电
流连续时，则开关转换器工作于
CCM(current continuous mode);
当电感电流不
连续时，则开关
转换器工作于
DCM(current
discontinuous mode)
。
当开关转换线路工作于
CCM/DCM
边界，对于
buck
线路而言，即流过电感的电流纹波与
输出电流相等即：
V
(
1
?
D
)
T
s
V
?
……………………………
.(1)
2
L
R
由式
(1)
< br>可得边界条件为
:
K
?
1
?
D
?
即
:
当
1
?
D
?
2
Lf
s
时，
buck
变换器工作在
CCM
模式；
R
- 5
-
2
Lf
s
………………………………………
(2)
R
电气工程综合设计
（论文）
报告纸
当
1
?
D
?
2
Lf
s
时，
buck
变换器工作在
DCM
模式；
R
2
Lf
s
时，
buck
变换器工作在
CCM/D
CM
边界；
R
当
1
?
D
?
buck
变换器的
DCM
< br>时的稳态关系
当
buck
变换器工作在
DCM
时，则一个完整的周期
分为三个部分
(interval)
。
即：
<
/p>
当
0
?
t
?
DT
s
时，电感储
能，电感两端的电压为：
V
L
?
L
di
?
V
g
?
V
……………………………………
(3)
dt
当
DT
s
?
t
?
D
1
T
s
时，电感释放能量，电感两端的电压为：
V
L
?
L
di
?
V
…………………………………………
.(4)
dt
当
D
1
T
s
?
t
?
T
s
时，电容释放能量，电感两端的电压为：<
/p>
V
L
?
0
…………………………………………………
..(5)
依据电感的伏秒平衡原理可得：
V
?
MV
g
< br>…………………………………………………
(6)
式中
：
M
?
2
1<
/p>
?
1
?
4
K
/
D
2
1.2.
CCM
时
AC
等效电路模型
(AC equivalent circuit
Modeling)
建立，考虑输出电
感的寄生阻抗
DCR,
输出电容的寄生阻抗
< br>ESR
。
当
< br>0
?
t
?
DT
s
时
:
V
L
(
t
)
?
L
di
L
(
t
)
?
V
g
(
t
)
?
V
(
t
)
……………………………
.(7)
dt
i
C
(<
/p>
t
)
?
C
当
DT
s
?
t
?
T
s
时：
dV
(
t
< br>)
V
(
t
)
……………………………
..(8)
?
i
L
(
t
)
?
dt
R
- 6 -
电气工
程综合设计
（论文）
报告纸
V
L
(
t
)
?
L
di
L
(
t
)
?
?
V
(
t
)
……………………………………
.
(9)
dt
i
C
(
t
)
?
C
dV
(
t
)
V
(
t
)
……………………………
..(10)
?
i
L
(
t
)
?
dt
R
使用平均值近似代替小纹波量，即：
V
g
(
t
)
T
S
?
V
g
(
t
)
< br>、
V
(
t
)
T
S
?
V
(
t
)
、
i
L
(
t
)
T
S
?
i
L
(
t
< br>)
将上述式子代入式
(11)
、
(12)
、
(13)
、
(14)
并计算电感电压平
均值及电容电流平均值得：
V
L
(
t
)
T
S
?
d
(
t
)
V
g
< br>(
t
)
i
C
(
t
)
?
T
S
?
V
(
t
)
?
T
S
?
?
d
(
t
)(
?
V
(
t
)
'
T
S
T
s
)
………
.......(11)
T
S
?
i
L
(
t
)
V
(
t
)
R
T
S
< br>……………………………
.(12)
平均输入电流的平均值为：
i
g
(
t
)
t
S
?
d
(
t
)
< br>i
L
(
t
)
T
S
………………………………<
/p>
..(13)
构建在静态工作点（
I<
/p>
、
V
、
D
）的小信号
ac
模型，即有：
V
g
(
t
)
T
S
?
V
g<
/p>
?
v
g
(
t
)
|
V
g
|
??
||
v
g
(
t
)
||
?
?
V
(
t
)
T
S
?
V
?
v
(
t
)
|
V
|
??
||
v
(
t
)
||
T
S
?
?
i
L
(
t
)
i
g
(
t
)
t
S
?
I
L
?<
/p>
i
L
(
t
)
|
I
L
|
??
||
i
L
(
t
)
||
< br>
?
?
?
?
I
g
?
i
g
(
t
)
|
I
g
|
??
||
i
g
(
t
)
||
?
d
(
t
)
T
S
?
d
?
d
(
t
)
|
d
|
??
||
d
(
t
)
||
?
?
使用上述式子代替式
(15)
< br>、
(16)
、
(17)
并消除
DC term(
直流分量
)
得：
?
?
d
i
L
(
t
)
?
L
?
d
(
t<
/p>
)
V
g
?
d
v
g
(
t
)
?
v
(
t
)
……………………
.(14)
dt
?
C
?
d
v
(
t
)
v
(
t
)
………………………………
.(15)
?
i
L
(
t
)
?
dt
R
?
?
?
?
?
i
g
(
t
)
?
d
(
t
)
I
L
?
d<
/p>
i
L
(
t
)
………………………………
(16)
由上述三式构建小信号
ac
等效电路如下图
示
- 7
-
电气工
程综合设计
（论文）
报告纸
由上图可以获知：
v
(
t
)
?
d
(
t
)
v
g
(
< br>t
)
?
0
?
?
?
V
g
1
L
L
C
s
2
?
s
?
1
R
1
…………………………………
..(17)
v
(
t
)
v
g
(
t
)
?
d
(
t
)
< br>?
0
?
?
?
D
L
L
C
s
2
?
s
?
1
R
1
?
sC
……………………………………
(18)
v
(
t
)
?
?
?
i
o
(
t
)
v
d
(
< br>t
)
?
0
g
(
t
)
?
0
、
?
?
Z
out
?
R
//
sL
//
sL
……………
(19)
L
1
?
s
?
< br>LCs
2
R
?
< br>i
L
(
t
)
d
(
t
)
?
?
?
v
g
(
t
)
?
?
V
g
RCs
?
1
…………………
…………………
.(20)
L
R
2
1
?
s
?
LCs
R
RCs
?
1
……………………………………
..(21)
L
1
?
s
?
LCs
2
R
i
L
(<
/p>
t
)
d
(
t
)
?
?
v
g
(
t
)
D
R
3.3
主功率电路的参数设计
3.3.1
设计指标
(1)
输入直流电压
15
伏。
(2)
输出直流电压
5
伏。
(3)
额定电流
10
安培。
(4)
负载调整率
S
I
≤
5%
< br>。
- 8 -
电气工程综合设计
（论文）
报告纸
(5)
<
/p>
输出噪声纹波电压峰
-
峰值
U
OPP
≤50mV
。
(6)
开关
频率
(
f
s
)
：
100kHz
。
3.3.2
主电路参数计算
(1)
滤波电感和电容参数设计
滤波电容的
ESR
为：
R
E
?
V
rr
V
rr
50
mV
?
?
?
25
(
m
?
)
?
i
L
0
.
2
?
I
N
0
.
2
?
10
A
电容的
C
?
R
E
为常数，
约为
50
~
80
?
?
?
F
本课题选择
75
?
?
?
F
，
由上式中得到
R
E
=
25
m
?
，
得到
C=3000
?
F
。
当开关管导通，截止时变换器电压方程为：
< br>V
IN
?
V
O
?
V
L
?
V
ON
?
L
?
i
L
T
ON
V<
/p>
O
?
V
L
?
V
D
?
L
?
i
L
T
OFF
设
二极管的通态压降
V
D
=0.5V
；电感内阻的压降
V
L
=0.1V
；开关管导通压降
V
O
N
=0.5V
；
根据
< br>U
o
?
D
?
U
i
，
U
i
?
15
V<
/p>
,
U
o
?
5
V
，可以求出
T<
/p>
ON
=3.33
μ
S
。
又
T
off
?
T
o
n
?
1
f
s
可得：
L
?
T
on
V
in
?
V
o
?
V
L
?
V
ON
15
?
5
?
0
.
1
?
< br>0
.
5
?
3
.3
3
?
?
15
.
567
(
?
H
)
?
i
L
2
为了保证电
流的脉动小于
2A
，可将电感的值，适当放大些
，
可以取
17.5
?
H
.
- 9 -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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