一种基于Buck拓扑开关电源的研究与应用

王慧锋 张飞龙 任新杰

1. 广东美芝制冷设备有限公司 广东顺德 528333；2. 南京航空航天大学 江苏南京 211100

1 引言

在微型控制器系统中，输入的直流电压范围在35V～65V之间，后级的有源器件供电一般是12V左右。目前微型电控的开关电源一般是基IC的集成方案，但待机时也处于工作状态、且内部DC/DC斩波效率较低，热损耗大，成本也比较高。本文提出一种电压、电流双闭环的分立器件开关电源方案。ON/OFF器件采用Rds较低的NMOS，利用主控芯片的外设PWM资源，实现脉宽控制能量的输出。解决了输出电压稳定性、带载能力、无需额外的散热设计成本，在微型电控领域具有较大的成本、可靠性优势。

2 Buck电路基本原理及控制策略

Buck电路，又称降压电路，主要特征是输出电压低于输入电压，由于其处于高频开关工作状态，故具有效率高，体积小等优点。

2.1 基本原理

如图1所示为基本的Buck降压电路，主要构成单元为：输入端电容C1，开关管T1，续流二极管D1，滤波电感L1，输出端滤波电容C2。

当开关管T1导通时，电感L1储能，电感电上升，可得：

当开关管T1关断时，电感L1释放能量，通过二极管续流，电感电流下降，可得：

通过联立公式（1）、（2）可得：

其中：D为占空比，T为开关周期，Δi为电流变化量，Uin为输入电压，Uo为输出电压。

由于电感电流时脉动的，在其直流分量中含有谐波，输出脉动较大，为了维持输出电压的稳定，在输出端并联滤波电容，输出端形成LC滤波电路，来减少输出电压的脉动。

2.2 控制策略

此变换器控制方式有多种，可分为电压控制即电压单闭环控制，电流控制即电压电流双闭环控制[1-2]。

电压控制主要指输出电压的反馈控制，电流控制主要指双闭环控制，采样输出端的电压得到反馈信号，与给定的电压形成闭环，采样电感电流得到电流反馈信号，与给定的电流形成电流内环控制，对电压控制的不足进行改进，能够对电流进行直接控制，提了内环的响应速度，在抗干扰方面也得到提升，这样加入电流内环抑制了电流的变化，减小电流变化的干扰。

本文采用电压电流双闭环控制，系统控制框图如图2所示。

3 参数设计

为使输出端电压稳定，电压脉动满足系统要求[3]，针对Buck电路的连续工作状态对其基本器件进行设计。主要包括滤波电感L1，输出滤波电容C2。

当Buck电路电感电流处于临界连续状态，此时计算所得的电感值为最小电感值，为了保证电流处于连续运行状态，此时电感取值应大于这个临界电感值。

占空比的计算：

表1 Buck主要技术参数

图1 Buck电路

峰值电流和纹波电流的计算：

电感值的计算：

输出电容的计算：

Co根据成本、体积、输出电压纹波值来选择。

在IL大于Io时，电容充电，UC上升，UESR随IL变化；在IL小于Io时，电容放电。电容一周期电流平均值为0。

在0～0.5T时间内，电容上电阻电压的纹波为：

在0～0.5T时间内，电容充放电的电压变化为：

电容上的总的电压纹波为：

其中UESR*Co=50～80*0.000001。取50*0.000001带入式中得到：Co=106uF。实际中取100uF。

4 仿真与实验验证

根据基本原理和控制策略，我们在Simulink中建立了相应的控制系统[4-5]。

结果分析：从图3的（1）（3）的仿真、实际测试对比分析可以看出，在额定输出电流0.5A的情况下，输出电压可以维持在12V，电压脉动为0.02V左右；电压控制精度在1%以内。在启动过程中无超调产生，调节时间为0.001秒。图3的（2）（4）表示为宽输入电压情况下的输出电压波形，初始为35V，然后切换到65V，输出电压仍然保持在12V。带载能力强、可靠性高、输入电压范围宽等特性，且分立方案成本也相对较低。

图2 电压电流双闭环控制

图3 实验验证结果

5 总结

本文设计的开关电源方案主要应用在微型电控领域，在额定负载、重大负载波动情况下，12V的输出电压波动在1%以内；启动调节时间在1ms左右；同时宽输入电压范围下35V～60V时，12V的输出电压误差为0.05V，故该方案具有