多变量buck变换器最优效率点分析及控制技术研究
我国于上世纪80年代引入开关电源技术，随着计算机和电气等行业的迅猛发展，开关电源的市场不断扩大，对其效率的研究已经成为当下一热点话题。当前我国能源日益枯竭，电源领域与能耗密不可分，因此必须提高开关电源产品的效率。本文主要分析研究多变量Buck变换器的效率及控制技术。Buck变换器是一种基本的单管非隔离直流斩波电路，其工作效率和稳定性是两个重要指标。本文在对Buck变换器的基本结构和工作原理深入分析研究的基础上，给出了功率电子器件和磁性元件的损耗计算公式，深入阐明损耗的原因，研究MOS管关断的原理和米勒平台形成的原因，提出如何设计电感使得整体损耗最小，绘制出不同条件下的效率曲线并定量分析。研究其电压电流闭环控制策略，具体研究次谐波震荡产生原因以及斜坡补偿原理。关键词 Buck变换器，效率，稳定性，电压电流闭环控制，谐波震荡，斜坡补偿。
目 录
1 绪论 1
1.1开关电源的研究背景 1
1.2 Buck变换器的研究现状和研究意义 2
1.3论文的主要研究内容 2
2 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC变换器） 3
2.1电路结构和降压原理 3
2.2电感电流连续时工作特性 5
2.2电感电流断续时工作特性 7
3 多变量Buck变换器的效率研究 8
3.1 效率 8
3.2 Buck变换器损耗分析 9
3.3各个器件损耗的原因 10
3.3.1 MOS管 10
3.3.2电感 13
3.3.3电容 16
3.3.4肖特基二极管 16
3.4 效率曲线 16
3.4.1效率与频率的关系 16
3.4.2效率与输出电流、频率的关系 19
3.4.3不同输入电压满载时的效率 23
4 Buck变换器控制技术研究及仿真分析 26
4.1电压型控制 26
4.2电流型控制 27
4.3峰值电流控制下的次谐波振荡 28
5 硬件电路制作和实验分析 29
5.1主电路 30
5.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
控制电路 30
5.3电压反馈模块 31
5.4实验分析 32
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
附录 PCB图和实物图 37
绪论
1.1开关电源的研究背景
随着电力电子技术的迅猛发展，开关电源的种类日益繁多，当前诸如智能手机、电动汽车、智能家电等消费电子的快速普及，使得各类开关电源已经渗透到生活各个环节，在各类电子设备中开关电源主要功能是给设备中电子芯片和元件提供稳定可靠的电源。传统的线性稳压电源，因其技术成熟、可靠性好以及输出波形质量高在测试设备以及实验室中应用较多，但晶体管工作于线性区间静态损耗大，尤其在输出和输入电压差距较大时，电源变换效率极低，因此要保证线性电源稳定可靠工作，需要给晶体管安装散热器，导致体积增大[1]。受制于线性电源的体积重量以及变换效率，线性电源逐渐被如今电子设备抛弃。上世纪50年代，NASA?以小型化、重量轻为目的，研制出开关电源。经过近七十年的发展，开关电源因具备体积较小、效率较高和性能稳定等优点得到了广泛的应用并逐渐取代线性稳压电源[2]。
各种锂电池供电的电子产品如手机、iPad和笔记本电脑都需要变换器等开关电源芯片[3]。上世纪80年代，PC全面完成开关电源化，率先实现电源换代。到了90年代，开关电源在电子和电气领域得到了宽泛的应用，开关电源技术步入飞速发展阶段。
变换器拓扑较为繁多，按照隔离与非隔离可划分为如图1.1所示的几种类型。
图1.1 DC/DC变换器分类
Buck和Boost因输出和输入回路共地无法实现多路输出。推挽和正激变换器都使用变压器实现能量的传递，因输出和输入隔离可实现多路输出。半桥和全桥电路中开关管的耐压值和输入电压相等，而推挽和正激为两倍的输入电压，因此桥式拓扑普遍地应用于输入电压为或更高的场合[4]。反激变换器中的变压器可作为电感，因此不需输出滤波电感，这不仅减小了体积还降低了成本，所以多路输出经常使用反激拓扑。其中Buck变换器不仅符合开关电源小型化的指标，而且能够提供数字存储系统所需要的足够长的保持时间，除此之外，Buck变换器效率可达并且功率密度可达，所以其广泛使用在计算机CPU供电电路中。
1.2 Buck变换器的研究现状和研究意义
Buck变换器拓扑结构主要有：简单的Buck、同步整流Buck、交错并联降压型Buck、Buck三电平直流变换器和双向BuckBoost；建模方法主要有小信号分析与大信号分析，小信号分析法主要是状态空间平均法，基本思路是先对变换器中的各变量求平均，然后分解变量得到状态方程，最后对非线性的小信号状态方程进行线性化处理[5]。大信号分析法有解析法、相平面法、大信号等效电路模型法、开关信号流法、n次谐波三端口模型法及通用平均法等[5]。
Buck变换器的控制是十分复杂的，因为其不仅是强非线性系统，而且关键参数是多变的。传统使用的控制方法是把Buck变换器等效为线性系统，不易达到较好的动态性能。随着现代控制理论的发展，出现了许多Buck变换器新的控制方法以提高系统性能，例如：(1) 双线性理论；(2) 鲁棒控制；(3) 滑模变结构控制；(4) 自适应控制；(5) 智能控制[6]。使用这些控制方法的Buck变换器的稳定性和动态性能获得极大的改善，鲁棒性也变得十分良好。
我国于上世纪80年代引入开关电源技术，随着计算机和电气等行业的迅猛发展，开关电源的市场不断扩大，对其效率的研究已经成为当下一热点话题。当前我国能源日益枯竭，电源领域与能耗密不可分，因此必须提高开关电源产品的效率。尤其是随着采用3.6 V锂离子电池作为电源的消费类电子产品市场不断扩大，且功能和性能变得更多和更高，对适用于这类产品的Buck变换器的性能提出了更高的要求，因此研究Buck变换器的性能具有重要的理论和现实意义[5]。
1.3论文的主要研究内容
本文在参考一些国内外文献和电源网的基础上，深入分析研究了Buck变换器的基本结构和工作原理，找出了影响Buck变换器效率的原因，并绘制出不同条件下的Buck变换器效率曲线，研究了Buck变换器的电压电流控制策略，最后制作了一台100W的小功率Buck变换器模块，使其工作于最优效率状态。本文共有五章，各章内容概要如下：
第一章 阐述开关电源的研究背景、Buck变换器的研究现状和研究意义，然后给出本文的工作安排。
目 录
1 绪论 1
1.1开关电源的研究背景 1
1.2 Buck变换器的研究现状和研究意义 2
1.3论文的主要研究内容 2
2 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC变换器） 3
2.1电路结构和降压原理 3
2.2电感电流连续时工作特性 5
2.2电感电流断续时工作特性 7
3 多变量Buck变换器的效率研究 8
3.1 效率 8
3.2 Buck变换器损耗分析 9
3.3各个器件损耗的原因 10
3.3.1 MOS管 10
3.3.2电感 13
3.3.3电容 16
3.3.4肖特基二极管 16
3.4 效率曲线 16
3.4.1效率与频率的关系 16
3.4.2效率与输出电流、频率的关系 19
3.4.3不同输入电压满载时的效率 23
4 Buck变换器控制技术研究及仿真分析 26
4.1电压型控制 26
4.2电流型控制 27
4.3峰值电流控制下的次谐波振荡 28
5 硬件电路制作和实验分析 29
5.1主电路 30
5.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
控制电路 30
5.3电压反馈模块 31
5.4实验分析 32
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
附录 PCB图和实物图 37
绪论
1.1开关电源的研究背景
随着电力电子技术的迅猛发展，开关电源的种类日益繁多，当前诸如智能手机、电动汽车、智能家电等消费电子的快速普及，使得各类开关电源已经渗透到生活各个环节，在各类电子设备中开关电源主要功能是给设备中电子芯片和元件提供稳定可靠的电源。传统的线性稳压电源，因其技术成熟、可靠性好以及输出波形质量高在测试设备以及实验室中应用较多，但晶体管工作于线性区间静态损耗大，尤其在输出和输入电压差距较大时，电源变换效率极低，因此要保证线性电源稳定可靠工作，需要给晶体管安装散热器，导致体积增大[1]。受制于线性电源的体积重量以及变换效率，线性电源逐渐被如今电子设备抛弃。上世纪50年代，NASA?以小型化、重量轻为目的，研制出开关电源。经过近七十年的发展，开关电源因具备体积较小、效率较高和性能稳定等优点得到了广泛的应用并逐渐取代线性稳压电源[2]。
各种锂电池供电的电子产品如手机、iPad和笔记本电脑都需要变换器等开关电源芯片[3]。上世纪80年代，PC全面完成开关电源化，率先实现电源换代。到了90年代，开关电源在电子和电气领域得到了宽泛的应用，开关电源技术步入飞速发展阶段。
变换器拓扑较为繁多，按照隔离与非隔离可划分为如图1.1所示的几种类型。
图1.1 DC/DC变换器分类
Buck和Boost因输出和输入回路共地无法实现多路输出。推挽和正激变换器都使用变压器实现能量的传递，因输出和输入隔离可实现多路输出。半桥和全桥电路中开关管的耐压值和输入电压相等，而推挽和正激为两倍的输入电压，因此桥式拓扑普遍地应用于输入电压为或更高的场合[4]。反激变换器中的变压器可作为电感，因此不需输出滤波电感，这不仅减小了体积还降低了成本，所以多路输出经常使用反激拓扑。其中Buck变换器不仅符合开关电源小型化的指标，而且能够提供数字存储系统所需要的足够长的保持时间，除此之外，Buck变换器效率可达并且功率密度可达，所以其广泛使用在计算机CPU供电电路中。
1.2 Buck变换器的研究现状和研究意义
Buck变换器拓扑结构主要有：简单的Buck、同步整流Buck、交错并联降压型Buck、Buck三电平直流变换器和双向BuckBoost；建模方法主要有小信号分析与大信号分析，小信号分析法主要是状态空间平均法，基本思路是先对变换器中的各变量求平均，然后分解变量得到状态方程，最后对非线性的小信号状态方程进行线性化处理[5]。大信号分析法有解析法、相平面法、大信号等效电路模型法、开关信号流法、n次谐波三端口模型法及通用平均法等[5]。
Buck变换器的控制是十分复杂的，因为其不仅是强非线性系统，而且关键参数是多变的。传统使用的控制方法是把Buck变换器等效为线性系统，不易达到较好的动态性能。随着现代控制理论的发展，出现了许多Buck变换器新的控制方法以提高系统性能，例如：(1) 双线性理论；(2) 鲁棒控制；(3) 滑模变结构控制；(4) 自适应控制；(5) 智能控制[6]。使用这些控制方法的Buck变换器的稳定性和动态性能获得极大的改善，鲁棒性也变得十分良好。
我国于上世纪80年代引入开关电源技术，随着计算机和电气等行业的迅猛发展，开关电源的市场不断扩大，对其效率的研究已经成为当下一热点话题。当前我国能源日益枯竭，电源领域与能耗密不可分，因此必须提高开关电源产品的效率。尤其是随着采用3.6 V锂离子电池作为电源的消费类电子产品市场不断扩大，且功能和性能变得更多和更高，对适用于这类产品的Buck变换器的性能提出了更高的要求，因此研究Buck变换器的性能具有重要的理论和现实意义[5]。
1.3论文的主要研究内容
本文在参考一些国内外文献和电源网的基础上，深入分析研究了Buck变换器的基本结构和工作原理，找出了影响Buck变换器效率的原因，并绘制出不同条件下的Buck变换器效率曲线，研究了Buck变换器的电压电流控制策略，最后制作了一台100W的小功率Buck变换器模块，使其工作于最优效率状态。本文共有五章，各章内容概要如下：
第一章 阐述开关电源的研究背景、Buck变换器的研究现状和研究意义，然后给出本文的工作安排。
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