基于Saber的Buck開關(guān)變換器仿真分析

摘 要：首先對(duì)Buck變換器的基本原理進(jìn)行介紹，然后以廣泛使用的MC35063芯片為主要器件進(jìn)行Buck開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵外圍器件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，最后使用專業(yè)的電源仿真工具Saber軟件對(duì)Buck開關(guān)變換器進(jìn)行模型分析。仿真結(jié)果表明，該電路具有較高的精度和較小的紋波。

關(guān)鍵詞：Buck變換器；MC35063；參數(shù)計(jì)算

中圖分類號(hào)：TM46" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）06-0040-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.010

0" " 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻開關(guān)電源早已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)電源中。在各種復(fù)雜的電器設(shè)備中，電源變換器起著重要作用，其通過將輸入電壓進(jìn)行升降壓轉(zhuǎn)換，為各個(gè)模塊提供其正常工作所需的電壓。當(dāng)前，在工業(yè)及生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛使用電源的有兩類，一類為線性電源，另一類為開關(guān)電源。在低功率范圍內(nèi)，開關(guān)電源能夠很好地取代線性電源。開關(guān)電源具有體積較小、重量較輕、電源轉(zhuǎn)換效率較高、穩(wěn)壓范圍較大、精度較高等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠作為各種低功率產(chǎn)品的主要供電形式。

采用計(jì)算機(jī)仿真工具對(duì)電路進(jìn)行仿真可以極大地提高電路設(shè)計(jì)效率，并且能節(jié)省大量的對(duì)所設(shè)計(jì)硬件電路進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證的時(shí)間，同時(shí)也節(jié)省了硬件電路實(shí)物搭建的費(fèi)用，使得硬件設(shè)計(jì)成本更低，可靠性更高。Saber軟件是一款使用方便且十分專業(yè)的電路仿真軟件，利用該軟件對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和分析，能在實(shí)物搭建前驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的正確性[1]。本文以Buck變換器[2]為例進(jìn)行Buck變換的原理分析，并利用生產(chǎn)科研中廣泛使用的MC35063芯片進(jìn)行Buck開關(guān)電源的搭建[3]，對(duì)開關(guān)電源電路的關(guān)鍵器件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，最后在Saber軟件中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明該電路具有較高的精度。

1" " Buck變換器的工作原理

Buck變換器作為一種重要的電壓轉(zhuǎn)換裝置，在電力電子設(shè)備中具有重要作用，其工作原理是基于電感儲(chǔ)能原理和電磁感應(yīng)基本原理，通過對(duì)電路中的開關(guān)元件進(jìn)行合適的周期控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換功能。

Buck電源電路的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。Buck變換器主要由電感L、儲(chǔ)能濾波電容C、續(xù)流二極管D、開關(guān)管S和負(fù)載電阻R構(gòu)成，通過變換器將輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為輸出電壓Vout。

在Buck變換器工作過程中，當(dāng)開關(guān)管S閉合時(shí)，等效電路如圖2所示。二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電流經(jīng)過電感向負(fù)載傳遞能量，電容處于儲(chǔ)能狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S斷開時(shí)，等效電路如圖3所示。二極管兩端受到正向電壓的作用導(dǎo)通。如果電感處于連續(xù)導(dǎo)通模式，那么負(fù)載由電感供電；如果電感處于斷續(xù)導(dǎo)通模式，則前期向負(fù)載供電的同時(shí)為電容充電，后期電感能量完全釋放后，電容為負(fù)載供電。Buck電源變換器能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓向低電壓的轉(zhuǎn)換，得到不同的低電壓為各個(gè)器件供電。

2" " MC35063簡(jiǎn)介

該芯片是單片雙極性集成電路，在DC/DC變換器中作為控制部分廣泛使用，通過外接少量的元器件就能夠方便地實(shí)現(xiàn)升降壓和極性反轉(zhuǎn)等多種電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括振蕩器、電壓比較器以及具有自動(dòng)補(bǔ)償功能的帶隙基準(zhǔn)源等，具體如圖4所示。輸出開關(guān)電流高達(dá)1.5 A，器件中振蕩器的振蕩頻率是由3引腳所接的電容決定，通過對(duì)電容不間斷的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩器定時(shí)，振蕩頻率可從100 Hz至100 kHz。5引腳是反向比較器的輸入端，當(dāng)輸入端低于1.25 V時(shí)，比較器將輸出高電平，反之則為低電平。7引腳是電流檢測(cè)引腳，通過對(duì)其與Vcc之間的采樣電阻上的壓降進(jìn)行檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片的電流限制功能，當(dāng)檢測(cè)到電阻壓降大于300 mV時(shí)，電流限制功能能將振蕩器的充電過程強(qiáng)制改為放電，使振蕩器輸出低電平。振蕩器和比較器的輸出接在與門的兩端，當(dāng)兩端的輸入都為高時(shí)，觸發(fā)器被置高，輸出端開關(guān)管導(dǎo)通，反之開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)。

3" " MC35063降壓電路設(shè)計(jì)

本文采用MC35063芯片設(shè)計(jì)12 V轉(zhuǎn)5 V電路，最大輸出電流Ioutmax為0.5 A，輸出端波動(dòng)電壓為50 mV。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，電路的占空比為：D=5/12≈0.42。

則芯片通過的最大電流Iinmax為：

Iinmax=Ioutmax/D=0.5/0.42≈1.19 A

1）電阻參數(shù)計(jì)算：為了降低電路功耗，輸出采樣電阻R1和R2選用千歐級(jí)別的電阻，按照計(jì)算公式Uout=1.25（1+R2/R1），選擇R1為1.2 kΩ，R2為3.6 kΩ；Buck電路中的限流電阻Rsc阻值公式如下：

Rsc=Vp/Iinmax

式中：Vp為電流限制電路最大電壓值。

故限流電阻選用0.33 Ω的電阻。

2）電容參數(shù)計(jì)算：降壓電路的振蕩電容CT選擇470 pF的電容，可得開關(guān)電源的最小工作頻率為50 kHz。開通和關(guān)斷時(shí)間分別為：

Ton=0.42/50 000=8.4×10-6 s=8.4 μs，Toff=0.58/50 000=1.16×10-5 s=11.6 μs

輸出電容Co計(jì)算：峰值電壓為Ipeak=Vp/Rsc=0.909 A，實(shí)際輸出最大電流為Ioutmax′=D·Ipeak=0.382 A，考慮到電壓波動(dòng)，輸出電容兩端的最大電壓為5.025 V，最小電壓為4.975 V。初始狀態(tài)時(shí)為零輸入響應(yīng)，有5.025exp[-Toff/（RoCo）]=4.975（Ro為輸出端電阻，Co為輸出端電容），輸出電阻阻值為Ro=Vo/Io=5/0.5=10 Ω（Vo為輸出電壓，Io為輸出電流），計(jì)算得到輸出電容為116 μF，選擇容值為220 μF的標(biāo)準(zhǔn)電容。

3）電感L參數(shù)計(jì)算：電感電流IL按照峰值電流的0.8倍進(jìn)行計(jì)算，得到IL=0.727 A，在開通時(shí)間內(nèi)，電感儲(chǔ)能，輸出電容充電，只有負(fù)載消耗電能，計(jì)算得到電感L約為80 μH，因此選擇150 μH的標(biāo)準(zhǔn)電感。

4）續(xù)流二極管選擇：通常選擇恢復(fù)時(shí)間較短、正向?qū)妷狠^小的肖特基二極管來(lái)作為續(xù)流二極管使用，如果采用恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)且正向?qū)妷狠^大的普通二極管，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電源的效率降低。

4" " Saber建模仿真

在硬件電路設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)和調(diào)試工作可以通過建模仿真來(lái)驗(yàn)證其合理性和可行性，在工作中能熟練使用Saber仿真軟件可以擺脫大多數(shù)低效的調(diào)試工作，節(jié)約大量時(shí)間和精力。建模仿真可以直觀看到設(shè)計(jì)結(jié)果，而不僅僅是計(jì)算公式和枯燥的數(shù)字。當(dāng)面對(duì)電路有新的想法出現(xiàn)時(shí)，如果沒有仿真，就需要花費(fèi)巨大的精力去準(zhǔn)備器件、焊接、調(diào)試，直到獲得結(jié)果，而這在仿真中也許幾分鐘就可以實(shí)現(xiàn)，并且通過電路和器件參數(shù)修改，能迸發(fā)更多設(shè)計(jì)靈感。對(duì)于很多無(wú)法通過精確計(jì)算得到器件參數(shù)的電路，通過建模仿真可以獲得精確的結(jié)果，根據(jù)仿真中設(shè)定的參數(shù)尋找合適的器件。仿真可以讓設(shè)計(jì)者從復(fù)雜的公式計(jì)算中解脫出來(lái)，通過修改電路參數(shù)，獲得直觀的結(jié)果，極大地提升了硬件設(shè)計(jì)效率。

在使用Saber仿真軟件進(jìn)行電氣系統(tǒng)模型仿真時(shí)，往往采用自下而上的仿真模型搭建方式，即首先建立起各個(gè)子系統(tǒng)的功能模塊，再根據(jù)系統(tǒng)要求將各個(gè)模型連接起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的功能。根據(jù)上一節(jié)中對(duì)以MC35063為核心搭建的Buck開關(guān)變換電路外圍器件參數(shù)計(jì)算結(jié)果，采用Saber仿真軟件對(duì)該電路進(jìn)行仿真模型構(gòu)建，基本步驟如下：

1）點(diǎn)擊Saber Sketch開始運(yùn)行，然后選擇file→new→schematic，進(jìn)入繪制原理圖界面；

2）根據(jù)元器件庫(kù)的分類選擇所需器件或直接進(jìn)行搜索；

3）添加完器件后，合理布局各個(gè)器件的位置，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果修改器件對(duì)應(yīng)的參數(shù)；

4）在完成電路搭建后，首先在Design菜單中Use選擇當(dāng)前完成的仿真電路，然后選擇Netlist命令產(chǎn)生相應(yīng)的網(wǎng)表，再使用Simulink命令將原理圖所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)表文件記載到仿真器中，同時(shí)啟動(dòng)Saber Guide界面，在界面下設(shè)置所需要的仿真分析環(huán)境對(duì)所搭建的電路進(jìn)行仿真。仿真分析結(jié)束后可以使用CosmosScope工具對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析處理。

仿真電路圖如圖5所示。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，MC35063降壓電路的理論計(jì)算參數(shù)值是切實(shí)可行的，輸出電壓為4.92 V，仿真結(jié)果具有較高的精度和較小的紋波。因電路中初始電感和電容電流為0，輸出電壓會(huì)有一個(gè)振蕩過程，經(jīng)過1 ms左右的振蕩后逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)。電路中器件有導(dǎo)通阻抗，二極管有導(dǎo)通壓降，所以輸出電壓會(huì)有所降低。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

本文采用MC35063作為核心器件進(jìn)行Buck電路設(shè)計(jì)，該器件通過少量外圍器件就可實(shí)現(xiàn)電壓變換功能，且輸出電壓穩(wěn)定，故在工程中應(yīng)用廣泛。Buck變換器屬于電力電子系統(tǒng)的一個(gè)重要組成，其后續(xù)發(fā)展值得期待。在未來(lái)電力電子系統(tǒng)的發(fā)展中，Buck變換器將持續(xù)發(fā)揮重要作用。本文通過Saber仿真軟件對(duì)Bcuk開關(guān)變換器進(jìn)行仿真，對(duì)其他相關(guān)電源變換仿真設(shè)計(jì)具有參考意義。

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[2] 徐志國(guó).一種Buck型DC-DC電源設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（19）：150-152.

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收稿日期：2025-02-15

作者簡(jiǎn)介：石浩（1995—），男，山西太原人，助理工程師，研究方向：電氣系統(tǒng)仿真。