DCDC变换器设计
目 录
引 言 1
一、四种基本DC-DC变换器 1
（一）Buck 变换器 1
1、Buck电路设计 1
2、Buck变换器的工作原理 1
3、Buck电路数学分析 2
（二）Boost变换器 5
1、Boost电路设计 5
2、Boost变换器的工作原理 6
3、 Boost电路数学分析 7
4、 Boost电路参数设置 7
（三） Buck-Boost变换器 9
1、Buck-Boost电路设计 9
2、Buck-Boost变换器工作原理 9
3、Buck-Boost电路数学分析 10
4、Buck-Boost电路参数设置 11
（四）Cuk变换器 11
1、Cuk电路工作原理 11
2、Cuk电路数学分析 12
3、Cuk电路参数设置 13
二、直流变换器的仿真 14
（一）电路图仿真 14
1、Buck电路仿真 14
2、Boost电路仿真 16
3、Buck-Boost电路仿真 18
4、Cuk电路仿真 21
(二) DC-DC变换器优化设计 23
1、Buck优化设计 23
2、Boost优化设计 25
3、Buck-Boost优化设计 25
4、Cuk优化设计 26
（三）电路版图设计 27
1、步骤 27
2、四种变换器版图 28
总结 30
致谢 31 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
参考文献 32
引 言
本设计主要是应用ORCAD对DC-DC变换器进行分析与设计。首先从电路的角度对四种不同的DC-DC变换电路进行了详细的电路结构设计与理论分析，掌握其电路特点及其相应的工作原理，构建DC-DC电路原理图，确定每个元件的大小与属性，计算并分析电路性能指标。然后用ORCAD电路设计规则检查，模拟电路的特点，绘制和PCB电路的优化设计，仿真，验证所设计的DC-DC变换器的合理性。本设计使我们理解了DC-DC变换器的发展趋势和用途，并掌握了如何在在计算机软件环境下，仿真模型使用OrCAD软件建立DC-DC直流开关电源综合和优化设计，使电路达到最优性能指标。本设计课题目的：本次设计最直接的目的是设计和研究常见的四种基本DC-DC变换器：Boost变换器、Buck变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器的电路基本原理和波形仿真。从而锻炼自己的思考和学会用模拟电路仿真的能力，这样不仅可以缩短开发周期，还可以降低设计成本。
一、四种基本DC-DC变换器
（一）Buck 变换器
1、Buck电路设计
Buck变换器原理图如图3.1所示。其电路基本结构如图所示。图中S为开关器件，S可以根据应用情况选用IBGT，MOSFET，GTR。当开关S断开时，D为 提供续流通路。 为输入直流电压， 为输出电压。
图3.1 Buck电路原理图
2、Buck变换器的工作原理
电感电流连续时，存在两种开关状态即开始S导通和S截止。
（1）当开关S闭合，电路如图3.2所示。通过在L电流感应线圈，电感线圈不饱和之前，电流线性增加，在电流流经负载，输出电压，当>，电容器处于充电状态，二极管为反向电压。
图3.2 开关S导通时电路图
（2） 当开关S断开时，该电路图如图3.3所示。因为在磁场电压线圈L将在线圈两端的极性变化，以保持恒定的，也不是突变的电流互感器。在 < 时，电容处在放电状态，便于维持 ， 不变，这时候二极管D正向偏置导通，构成通路。故称D为续流二极管。
图3.3 开关S截止时电路图
3、Buck电路数学分析
（1）t=0表示 从低电平变到高电平的瞬间
两边积分得
（2）当开关S打开时
两边积分得
可见 时 在减少。
又因为在稳态时，
化简得
（上式表明稳态时电感元件满足伏秒平衡率。即电感电压在一个周期中的平均值为0。）
化简得
又因为
（占空比 ）
所以输出电压增益比M 。
经过数学分析得此时的电路图为降压型电路。其中电感电流连续时的工作波形如图3.4所示。
图3.4 电感电流在连续模式下的工作波形
2、做出 随时间变化的曲线，由图3.4所示。电源电流is及流过二极管电流
如图所示，如图可见， 为电感电流的最大值， 为其最小值。稳态时电感电流纹波（峰值）为
式（3.1）
所以开关管的峰值电流为
电压波纹：因为电容C上的电压波动很小，可认为流过 上流过近似为直流，从而可认为电感电流纹波全部经过电容。此电容电流 ，如式知当 时， ，在此区间即得电压纹波 。
式（3.2）
按类型，降低纹波电压，除了输入和输出电压，增加储能电感和滤波电容L C可以发挥重要的作用。保持 ， 等不变时，最大纹波出现在 处。
电容C的确定：通过电容产生的电容器充电和放电是因为纹波电压电流，所以
式（3.3）占空比的范围：
从而
因为临界状态时：
所以
推出：
式（3.4）
其中 为开关管的断开时间， 为开关工作频率（Hz）， 为变换器输出功率(W）。
（二）Boost变换器
1、Boost电路设计
升压变压器又称Boost变压器，它是一种对输入电压进行升压变换的直流斩波器，即输出电压大于输入电压，极性相同。其电路基本结构如图3.5所示。图中S为开关器件，S可以根据应用情况选用IBGT，MOSFET，GTR，L为能量传递电感，C为滤波电容， 为模拟负载，D为续流二极管。
2、Boost变换器的工作原理
式（3.7） 式（3.8）
图3.15 开关S截止时电路图
由此可见，这个电路无论在导通还是断开期间，都从输入向输出传递功率。
分析：由图4.4可知电感电流L1在0-0.1ms随着时间增加而增加，在0.1ms时电感电流L1取得最大值，此时L1=8V左右。在0.1ms-0.35ms随之时间的增加而减少。在0.35ms后趋近于稳定，其稳定值L1=5V左右。由图4.5可知，电感的纹波电流 =5.9-4.3=1.7A 。
引 言 1
一、四种基本DC-DC变换器 1
（一）Buck 变换器 1
1、Buck电路设计 1
2、Buck变换器的工作原理 1
3、Buck电路数学分析 2
（二）Boost变换器 5
1、Boost电路设计 5
2、Boost变换器的工作原理 6
3、 Boost电路数学分析 7
4、 Boost电路参数设置 7
（三） Buck-Boost变换器 9
1、Buck-Boost电路设计 9
2、Buck-Boost变换器工作原理 9
3、Buck-Boost电路数学分析 10
4、Buck-Boost电路参数设置 11
（四）Cuk变换器 11
1、Cuk电路工作原理 11
2、Cuk电路数学分析 12
3、Cuk电路参数设置 13
二、直流变换器的仿真 14
（一）电路图仿真 14
1、Buck电路仿真 14
2、Boost电路仿真 16
3、Buck-Boost电路仿真 18
4、Cuk电路仿真 21
(二) DC-DC变换器优化设计 23
1、Buck优化设计 23
2、Boost优化设计 25
3、Buck-Boost优化设计 25
4、Cuk优化设计 26
（三）电路版图设计 27
1、步骤 27
2、四种变换器版图 28
总结 30
致谢 31 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
参考文献 32
引 言
本设计主要是应用ORCAD对DC-DC变换器进行分析与设计。首先从电路的角度对四种不同的DC-DC变换电路进行了详细的电路结构设计与理论分析，掌握其电路特点及其相应的工作原理，构建DC-DC电路原理图，确定每个元件的大小与属性，计算并分析电路性能指标。然后用ORCAD电路设计规则检查，模拟电路的特点，绘制和PCB电路的优化设计，仿真，验证所设计的DC-DC变换器的合理性。本设计使我们理解了DC-DC变换器的发展趋势和用途，并掌握了如何在在计算机软件环境下，仿真模型使用OrCAD软件建立DC-DC直流开关电源综合和优化设计，使电路达到最优性能指标。本设计课题目的：本次设计最直接的目的是设计和研究常见的四种基本DC-DC变换器：Boost变换器、Buck变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器的电路基本原理和波形仿真。从而锻炼自己的思考和学会用模拟电路仿真的能力，这样不仅可以缩短开发周期，还可以降低设计成本。
一、四种基本DC-DC变换器
（一）Buck 变换器
1、Buck电路设计
Buck变换器原理图如图3.1所示。其电路基本结构如图所示。图中S为开关器件，S可以根据应用情况选用IBGT，MOSFET，GTR。当开关S断开时，D为 提供续流通路。 为输入直流电压， 为输出电压。
图3.1 Buck电路原理图
2、Buck变换器的工作原理
电感电流连续时，存在两种开关状态即开始S导通和S截止。
（1）当开关S闭合，电路如图3.2所示。通过在L电流感应线圈，电感线圈不饱和之前，电流线性增加，在电流流经负载，输出电压，当>，电容器处于充电状态，二极管为反向电压。
图3.2 开关S导通时电路图
（2） 当开关S断开时，该电路图如图3.3所示。因为在磁场电压线圈L将在线圈两端的极性变化，以保持恒定的，也不是突变的电流互感器。在 < 时，电容处在放电状态，便于维持 ， 不变，这时候二极管D正向偏置导通，构成通路。故称D为续流二极管。
图3.3 开关S截止时电路图
3、Buck电路数学分析
（1）t=0表示 从低电平变到高电平的瞬间
两边积分得
（2）当开关S打开时
两边积分得
可见 时 在减少。
又因为在稳态时，
化简得
（上式表明稳态时电感元件满足伏秒平衡率。即电感电压在一个周期中的平均值为0。）
化简得
又因为
（占空比 ）
所以输出电压增益比M 。
经过数学分析得此时的电路图为降压型电路。其中电感电流连续时的工作波形如图3.4所示。
图3.4 电感电流在连续模式下的工作波形
2、做出 随时间变化的曲线，由图3.4所示。电源电流is及流过二极管电流
如图所示，如图可见， 为电感电流的最大值， 为其最小值。稳态时电感电流纹波（峰值）为
式（3.1）
所以开关管的峰值电流为
电压波纹：因为电容C上的电压波动很小，可认为流过 上流过近似为直流，从而可认为电感电流纹波全部经过电容。此电容电流 ，如式知当 时， ，在此区间即得电压纹波 。
式（3.2）
按类型，降低纹波电压，除了输入和输出电压，增加储能电感和滤波电容L C可以发挥重要的作用。保持 ， 等不变时，最大纹波出现在 处。
电容C的确定：通过电容产生的电容器充电和放电是因为纹波电压电流，所以
式（3.3）占空比的范围：
从而
因为临界状态时：
所以
推出：
式（3.4）
其中 为开关管的断开时间， 为开关工作频率（Hz）， 为变换器输出功率(W）。
（二）Boost变换器
1、Boost电路设计
升压变压器又称Boost变压器，它是一种对输入电压进行升压变换的直流斩波器，即输出电压大于输入电压，极性相同。其电路基本结构如图3.5所示。图中S为开关器件，S可以根据应用情况选用IBGT，MOSFET，GTR，L为能量传递电感，C为滤波电容， 为模拟负载，D为续流二极管。
2、Boost变换器的工作原理
式（3.7） 式（3.8）
图3.15 开关S截止时电路图
由此可见，这个电路无论在导通还是断开期间，都从输入向输出传递功率。
分析：由图4.4可知电感电流L1在0-0.1ms随着时间增加而增加，在0.1ms时电感电流L1取得最大值，此时L1=8V左右。在0.1ms-0.35ms随之时间的增加而减少。在0.35ms后趋近于稳定，其稳定值L1=5V左右。由图4.5可知，电感的纹波电流 =5.9-4.3=1.7A 。
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