[发明专利]基于宽负载范围Buck变换器输出纹波电压精确建模方法

说明书

本发明提供了一种基于宽负载范围Buck变换器输出纹波电压精确建模方法，包括以下步骤：步骤一：求得Buck变换器系统阻尼比ζ，步骤二：对工作在电感电流连续模式下Buck变换器纹波电压进行精确建模分析；步骤三：对工作在电感电流断续模式下的Buck变换器纹波电压进行精确建模分析；步骤四：对宽负载范围Buck变换器输出电压纹波分析进行仿真和实验验证；本发明针对传统方法对工作在宽负载范围Buck变换器输出纹波电压分析不够精确的问题，进行了系统分析，提出了宽负载范围Buck变换器的纹波电压精确建模方法，此建模方法对高精度Buck变换器设计具有重要的指导意义和实用价值。

技术领域

本发明属于Buck变换器输出纹波电压分析领域，具体涉及基于宽负载范围 Buck变换器输出纹波电压精确建模方法。

技术背景

Buck变换器被广泛应用航空航天设备、医疗设备、仪器仪表设备、光伏发电系统、LED驱动等领域。随着电力电子技术的飞速发展，电子设备需要能工作在宽负载范围的高精度Buck变换器，而输出纹波电压的精确分析是高精度 Buck变换器参数优化设计的重要理论依据，因此，有必要对工作在宽负载范围的Buck变换器输出纹波电压进行深入研究。

在已有的Buck变换器纹波电压研究报道中，通常根据电感电流工作模式不同，纹波电压分析分为电感电流连续(CCM)和电感电流断续(DCM)两种情况，得出了工作在CCM的纹波电压与负载电阻R大小无关，工作在DCM时与负载电阻R有关的结论；同时已有的文献忽略了寄生参数对纹波电压影响情况。但是实验结果表明：工作在CCM的Buck变换器纹波电压与负载电阻R的大小有关，同时电容的等效串联电阻(ESR)对纹波电压有较大影响，当选择的电解电容 ESR较大时，会出现实验结果和现有的纹波计算结果产生非常大的误差，甚至会出现实验结果是现有未考虑寄生参数的纹波电压计算结果的2倍甚至更大的情况。也即按照传统方法进行设计，不能确保研制的Buck变换器达到预期的纹波电压指标。

发明内容

为了解决上述宽负载范围Buck变换器纹波电压计算不够精确的问题，本发明提供一种基于宽负载范围Buck变换器输出纹波电压精确建模方法。

本发明的技术方案是：基于宽负载范围Buck变换器输出纹波电压精确建模方法，其步骤包括：

步骤一：求得Buck变换器系统阻尼比ζ：

所述Buck变换器的电路包括输入电压V_i，电感L，电容C，负载电阻R，输出电压V_o，开关管V_T，二极管V_D，电容等效串联电阻R_C，Buck变换器控制变量到输出电压的动态数学模型为：

由式(1)可得Buck变换器的阻尼比ζ为：

分析式(2)可知，当Buck变换器所带的负载不同时，系统阻尼比会出现欠阻尼(0ζ1)、临界阻尼(ζ＝1)和过阻尼(ζ1)三种情况，因此，Buck变换器纹波电压分析应基于三种不同阻尼比情况；

步骤二：根据步骤一，对工作在CCM下的Buck变换器进行精确纹波建模分析：

Buck变换器工作在CCM时，开关管V_T处于通态t_on期间，电感电流为i_L1(t)，输出电压为v_o1(t)，当Buck变换器工作在稳定状态时：

求解式(3)可得：

式(4)为非齐次线性方程，其特征方程为：

求解式(5)可得：