摘 要

电源是电子设备的重要组成部分，其性能的优劣直接影响着电子设备的稳定性和可靠性。随着电子技术的发展，电子设备的种类越来越多，其对电源的要求也更加灵活多样。Buck DC/DC变换器由于电路结构简单、调整方便、可靠性高等优点，在降压式场合一直得到广泛的应用。因此DC/DC变换器一直是研究的热点，而这也正是本次设计Buck DC/DC变换器的目的。

本次设计分析同步整流技术并比较多种闭环控制方式，最终采用以电感电流内环电压外环的双闭环控制同步Buck作为DC/DC变换器的主体，以提高输出的静态性能和动态性能，并用基于极点配置的方法设计电路参数进行优化设计。

文中分析和阐述了Buck DC/DC的电路拓扑结构及控制电路的工作原理。对该变换器各模块，如电压、电流检测电路、过热保护电路、误差放大电路、电压比较电路、锯齿波振荡发生电路、自举驱动电路、欠压保护电路等进行了设计并给出了仿真验证结果。最后通对变换器应用电路的仿真，验证了设计方案和理论分析的可行性和正确性，所设计的Buck DC/DC变换器达到了预期的要求。接着简要介绍硬件设计和软件设计，验证突加突减负载时实际输出电压波形和装置效率，验证设计满足要求。

关键词：Buck DC/DC变换器 同步整流技术 脉冲宽度调制

ABSTRACT

Power supply is an important part of electronic devices, and its performance directly affects the stability and reliability of electronic devices. With the development of electronic technology, there are more and more types of electronic devices, and their requirements for power supplies are also more flexible and diverse. Buck DC/DC converters have been widely used in buck applications due to their advantages such as simple circuit structure, easy adjustment, and high reliability. Therefore, the DC/DC converter has always been a research hotspot, and this is exactly the purpose of designing the Buck DC/DC converter.

This design analyzes the synchronous rectification technology and compares various closed-loop control methods. Eventually, a double closed-loop control synchronous Buck is used as the main body of the DC/DC converter to increase the static performance and dynamic performance of the output. And based on the pole configuration method to design circuit parameters for optimal design.

The paper analyzes and expounds the circuit topology of Buck DC/DC and the working principle of the control circuit. Various modules of the converter, such as voltage and current detection circuits, overheat protection circuits, error amplification circuits, voltage comparison circuits, sawtooth oscillation generation circuits, bootstrap drive circuits, and undervoltage protection circuits, are designed and simulated. Validation results. Finally, through the simulation of the converter application circuit, the feasibility and correctness of the design scheme and theoretical analysis are verified. The designed Buck DC/DC converter meets the expected requirements. Then briefly introduce the hardware design and software design, verify the actual output voltage waveform and device efficiency when sudden load reduction, verify that the design meets the requirements.

Keywords: Buck The DC/DC converter Synchronous rectification technology Pulse width modulation

目录

摘要 I

ABSTRACT I

目录 1

第一章 绪论 3

1.1 引言 3

1.2 DC/DC变换器及其关键技术与发展方向 3

1.3 国内外开关电源研究现状 5

1.4 研究目的及意义 6

1.5 研究主要内容 7

第二章 Buck电路拓扑结构及其基本工作原理 8

2.1 Buck DC/DC变换器拓扑结构 8

2.2 Buck电路基本工作原理 9

2.3 同步整流技术 11

2.3.1 异步Buck 11

2.3.2 同步Buck 12

2.3.3 同、异步比较 14

2.4 本章小结 14

第三章 Buck电路参数设计 15

3.1 电感值的设计 15

3.2 电容值的设计 16

3.3 MOSFET的选择 17

3.4 本章小结 17

第四章 DC/DC变换器控制电路的设计 18

4.1 Buck型DC/DC变换器工作模式 18

4.2 PWM控制模式选取 18

4.2.1 电压型控制模式 19

4.2.2 电流型控制模式 19

4.3 控制系统 22

4.4 本章小结 23

第五章 PID控制器设计 24

5.1 PID控制器 24

5.2 基于极点配置的双闭环控制器设计 24

5.3 本章小结 27

第六章 MATLAB仿真 28

6.1 仿真模型介绍 28

6.2 仿真结果 29

6.2.1 输出电压随输入电压波动测试 29

6.2.2 输入串联正弦波抗干扰测试 30

6.2.3 突减负载时动态响应 31

6.2.4 突加负载时动态响应 32

6.3 本章小结 32

第七章 实验设计 33

7.1 硬件电路设计 33

7.1.1 控制芯片介绍 33

7.1.2 电压电流检测电路设计 34

7.1.3 保护电路设计 36

7.1.4 驱动电路设计 37

7.2 软件设计设计 38

7.2.1 主循环程序设计 38

7.2.2 中断程序设计 39

7.3 实验结果 39

7.3.1 不同输入电压和负载下效率测定 39

7.4 结论 40

7.5 本章小结 40

全文总结 41

参考文献 42

致谢 43

第一章 绪论

1.1 引言

从用电以来，电力电子技术的急速发展，已经使得各类电力设备成为人类生活中不可或缺的重要部分，同事我们生活的各方面离不开电源的支持。电源技术因此得以发展。其糅杂综合功率变换技术、自动控制、现代电子技术等多种边缘学科技术而产生，交叉应用，随时代前进电源技术也在不断发展乃至变革。从最原始的发电机组到各种半导体器件的大量使用，延续到今天的各类开关电源，电源发展过程十分迅速。

当然，这一切离不开电子行业的发展与兴起，特别是便携式电子产品诸如手机、media player系列、数码相机的快速普及。作为这些设备重要组成部分的电源，能够管理芯片控制电源实现供电，电源质量直接决定了电子产品的质量优劣。随着电子设备长时间的使用，电池电压会逐渐降低，电池内阻增大，这既不利于用户使用的耐久程度，又不利于系统长时间高性能地工作。为了延长仪器设备使用寿命并使其工作于稳定的直流电压值下，我们需要体积更小、效率更高的DC/DC变换器。

而电子计算机领域中，DC/DC变换器已经获得了特别广泛的使用。为现代电子产品的应用要求，转换效率高，精度高，元件的集成度高，就成了设计的关键所在BUCK降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展

1.2 DC/DC变换器及其关键技术与发展方向

现今各类DC/DC变换器电源主要分为线性和开关电源。

图1.1 线性电源基本原理图

图 1.2 开关电源基本原理图

线性电源具有结构相对简单、性价比较高、噪声低等优点，但由于开关管工作在放大状态，产生热量较多，会影响其输出效率。相对比下，开关电源的开关管工作在饱和或截止状态，减小了发热量，提高了电源效率，并且省掉了变压器的接入，减少设备体积和重量。虽然开关电源的输出直流上会有较大的叠加纹波和可能的尖峰脉冲干扰，但毫无疑义，开关电源具有更远大的前景和未来潜力等待发掘。

最近几年，在DC/DC转换器的领域，不断的出现很多种新型的电路设计技术，其目的是为了能够产生高性能的转换器，技术有：

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