目录

一、Buck(降压斩波)电路仿真模型

1.电路模型

2.参数设置

二、仿真分析

1.开环控制

2.闭环控制

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3.开环控制欲闭环控制对比：

三、总结

一、Buck(降压斩波)电路仿真模型

1.电路模型

        Buck电路，也被称为降压斩波电路或降压转换器，是一种常见的降压电路，用于将较高的输入电压转换为较低的输出电压。Buck电路主要由开关管、电感、滤波电容以及控制器、反馈电路和保护电路等组成。

       它基于电感储能原理，通过控制开关元件（通常为功率MOSFET）的导通和断开状态，在Buck电路中，当开关元件处于导通状态时，输入电源的电流流经电感，此时电感将电流转化为磁能并储存起来。当开关元件断开时，电感中的磁能会转化为电能，通过输出端向负载供电，使电流继续流动，从而实现了降压的效果。通过调节开关工作的占空比（开关导通时间与总周期时间的比值），可以控制输出电压的大小。占空比越大，输出电压越小；反之，占空比越小，输出电压越大。

2.参数设置

（1）输入电源参数：

（2）负载参数：

二、仿真分析

1.开环控制

    （1）开环仿真，即驱动脉冲占空比根据手动计算给出，例输入48V输出12V，占空比为0.25，设置如下：

仿真输出波形如下：分别为驱动脉冲、MOSFET电流电压、输入电压、输出电流、输入电流、输出电压（从左只有，从上到下）

电感电流、电压波形如下图所示：

        从图中可以看出：当开关管开通时，输入电源给电感充电，电感电流上升，给负载供电，同时给电容充电，当开关管关断时，电感放电，为负载供电。从输出电压波形中可以看出由于二极管的导通压降使得输出电压小于理论计算的12V（实际电路如此）。

（2）输出电压24V，修改占空比为50%，输出波形如下：

       从图中可以看出输出电压与理论计算的24V偏差更大，这是由于输出电流变大，在二极管上产

生的压降更大，导致输出电压更低。

（3）加入干扰信号的输出波形如下所示：

       从图中可以看出，输出电压也随着输入电压的波动而波动，因此开环控制只能应用在一些对电源性能要求不高的场合使用，但是由于其简单性和低成本，开环控制还存在广泛使用。

2.闭环控制

        Buck（降压斩波）电路的闭环控制是一种重要的控制策略，它能够实现输出电压的稳定和精

确调节。闭环控制通过引入反馈机制，使得电路的输出电压能够实时调整，以满足系统的要求。在

Buck电路的闭环控制中，反馈环节是关键。通常，反馈信号通过采样电路从输出端获取，并与基

准电压进行比较。比较器根据两者的差值产生误差信号，该误差信号随后被送至控制器。控制器根

据误差信号调整开关管的导通和断开时间（占空比），从而控制输出电压的大小。闭环控制使得

Buck电路对负载变化和输入电压波动等外部干扰具有更好的适应性。当负载发生变化时，输出电

压会随之波动，但闭环控制系统能够迅速响应，通过调整开关管的占空比，使输出电压迅速恢复到

设定值。同样，当输入电压波动时，闭环控制系统也能够自动调整，保持输出电压的稳定。除了基

本的闭环控制策略外，现代电源管理系统还采用了更先进的控制算法，如PID（比例-积分-微分）

控制、模糊控制等，以进一步提高Buck电路的性能和稳定性。这些算法能够更精确地调节开关管

的占空比，减少输出电压的纹波和噪声，提高系统的效率和可靠性。本文以简单的电压PI环控制为例如下图所示：

（1）输出电压12V

       仿真输出波形如下：分别为驱动脉冲、MOSFET电流电压、输入电压、输出电流、输入电流、输出电压（从左只有，从上到下）

(2)输出电压24V

     修改PI给定值为24V，输出波形如下图所示：

(3)加入干扰源，输出12V

       对比开环的输出波形可以看出，在闭环控制输出中输出电压更稳定，并且在有外界干扰的情况下也可以稳定输出电压。

3.开环控制与闭环控制对比：

（1）控制原理，开环控制是给定恒定的占空比，即不依赖输出电压的实际值，而是直接设定一个

固定的开关管导通和断开的时间比例。这种方式简单直接，但输出电压容易受到输入电压变化和负

载变化的影响，因此稳定性较差。而闭环控制则是将输出电压作为反馈量来调整占空比的大小。这

意味着开关管的导通和断开时间会根据输出电压的实际值与设定值之间的差值进行动态调整，以实

现输出电压的稳定。

（2）性能表现，闭环控制具有更好的稳定性和暂态性能。由于闭环控制能够实时根据输出电压的

反馈调整开关管的占空比，因此它能够有效抑制各种扰动，使输出电压保持稳定。同时，闭环控制

的暂态性能也更好，即当输入电压或负载发生变化时，它能够更快速地调整占空比，使输出电压迅

速恢复到设定值。相比之下，开环控制由于没有反馈机制，其输出电压的稳定性较差，且对输入电

压和负载变化的响应也较慢。

（3）应用场景，开环控制通常适用于对输出电压要求不高且成本敏感的应用。由于其简单性和低

成本，开环控制在一些对电源性能要求不高的场合仍然被广泛使用。然而，对于需要高精度、高稳

定性输出电压的应用，如精密仪器、医疗设备等领域，闭环控制则更为适用。

三、总结

       Buck（降压斩波）电路是一种高效的直流-直流（DC-DC）转换器，主要用于将较高的输入直

流电压转换为较低的输出直流电压。其核心原理基于电感的储能特性和开关管的快速通断控制。

1.工作原理：当开关管导通时，输入电源对电感充电，同时电容为负载提供电流。 当开关管断开

时，电感释放储存的能量，通过续流二极管向负载供电，同时电容也参与维持输出电压的稳定。

2.电压调节：通过控制开关管的导通和断开时间（占空比），可以精确调节输出电压的大小。占空

比越高，输出电压越接近输入电压；占空比越低，输出电压越低。

3.效率：Buck电路在理想情况下具有高效率，因为开关管的快速通断减少了功率损耗。 实际应用

中，效率受开关管、电感、电容等元件的损耗以及控制策略的影响。

4.应用广泛：Buck电路广泛应用于电源管理、电动汽车、太阳能电池板、电子设备供电等领域。

在电源管理系统中，它常被用来为处理器、传感器和其他电子元件提供稳定的电源。

5.稳定性与安全性：为了确保输出电压的稳定性和防止电路过载，Buck电路通常配备反馈电路和保

护机制，如过流保护、过压保护和过热保护等。

6.发展趋势：随着半导体技术的发展，开关管的性能不断提高，使得Buck电路能够处理更高的电流

和电压，同时保持高效率。 数字化控制技术的应用也使得Buck电路的控制更加精确和灵活。

在使用Buck电路时，以下是一些关键的注意事项：

1.元件选择： 电感：电感的选择应确保在输出最小规定电流时，电感电流也能保持连续。电感的参数计算需要考虑输出电压、输入电压、占空比、开关频率以及电感电流的最大值。 电容：电容的选择必须满足输出纹波的要求，以确保输出电压的稳定性。 开关管：开关管用于控制电路的导通和断开操作，其性能直接影响到电路的效率和稳定性。

2.PCB布局： 输入电容器和续流二极管应置于与IC端子相同的PCB表面层上，并尽可能靠近IC，以减小布线长度和降低噪声。 电感应靠近IC放置，但不必像输入电容那样近，以最小化来自开关的辐射噪声。 输出电容应靠近电感放置。 返回路径的布线应远离噪声源，如电感器和二极管。

3.闭环控制：简单的Buck电路输出电压可能不稳定，受到负载和外部干扰的影响。为了实现稳定的输出电压，可以加入PID控制器实现闭环控制。通过采样环节得到PWM调制波，与基准电压进行比较，经过PID控制器得到反馈信号，再与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，作为开关信号。

4.散热问题：Buck电路在工作时可能会产生一定的热量，特别是在高负载或高开关频率的情况下。因此，应注意电路的散热设计，包括使用热通孔等散热措施，以避免元件过热损坏。

5.安全性：电路设计和操作时，应确保符合相关的安全标准和规范，避免因设计或操作不当导致的安全事故。

       遵循以上注意事项，可以确保Buck降压斩波电路的稳定性和高效性，满足实际应用的需求。同时，在实际应用中，还应根据具体的电路要求和工作环境进行适当的调整和优化。

       总的来说，Buck电路是一种简单、高效且应用广泛的降压转换器，能够满足不同领域对稳

定、可靠且灵活的电源管理需求。随着技术的不断进步，Buck电路的性能和可靠性将进一步提

高，为现代电子系统的发展提供有力支持。

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