崑山科技大學 -...

崑山科技大學

電機工程系

降壓型電源轉換器分析、模擬、

實作與閉迴路控制

指導老師：陳信助老師

製作學生：潘忠義 4910J006 徐麒翔 4910J100 游大慶 4910J088 潘惟琢4931J015

中華民國九十四年十二月

目錄第一章降壓型電源轉換器電路分析………………..1

1-1 前言………………………………….....1

1-2 電路分析……………………………….2

1-2-1 連續電流導通模式.......................2

1-2-2 非連續電流導通模式……… ….10

第二章脈波寬度調變……………………………….14

2-1 前言……………………………………14

2-2 主要元件之接腳圖……………………15

2-2-1 LF351 OP 放大器………………15

2-2-2 LM 311 比較器…………………15

2-3 脈波寬度調變模擬……………………16

2-3-1 電路圖..........................................16

2-3-2 模擬波形……………………….16

2-4 脈波寬度調變實作................................19

2-4-1 使用材料……………………….19

2-4-2 實作波形……………………….20

第三章 IsSpice模擬與實作…………………………..22

3-1 前言…………………………………..…..22

3-2 IsSpice 模擬課本例題…………………...22

3-2-1連續電流導通模式...........................22

3-2-2非連續電流導通模式……………...28

3-3 模擬與實作波形比較……………………33

3-3-1 實作電路利用 IsSpice 模擬出連續電

導通模式之波形…………………..33

3-3-2 實作電路利用 IsSpice 模擬非連續電

流導通模式之波形………………..36

3-3-3實作電路連續電流導通模式之波形...

……………………………………..39

3-3-4 實作電路非連續電流導通模式之波

形…………………………………..40

第四章閉迴路控制之實作與教具功能

4-1 前言………………………………………41

4-2 閉迴路控制之實作………..……………..41

4-2-1實作波形…………………………...45

4-2-2輸出電壓在電源變動時達到穩壓...45

4-3 教具功能與實作成品圖………………...49

第五章結論………………………………………….52

參考文獻……………………………………………...54

降壓型電源轉換器分析、模擬、實作與閉迴路控制

指導老師：陳信助老師製作學生：潘忠義、徐麒翔、潘維琢、游大慶班級：四電 4 A

一、前言

目前在日趨複雜的電子、電腦系統裝置中，切換式電源供應器（Switching Power Supply）扮演了一個舉足輕重的角色。其廣泛地使用在電腦相關產品、通訊與網路系統、軍事與航太工業、醫療設備、

工業與儀器用設備、照明系統、民生產品的應用上。本專題的目的是

將切換式電源轉換器的 Buck Converter 電路的操作原理作探討、了解及製作成教學電路模組，以利教學的輔助教具。

二、研究方向

1、熟悉 Buck Converter 電路的架構與操作。 2、運用 Is-Spice 軟體進行電路模擬。 3、開迴路控制下調整 Duty 來控制輸出變化。 4、閉迴路控制下可抗電源與負載變動達到輸出穩壓。 5、成品的測試與完成。

三、成果

完成 Buck Converter 開迴路及閉迴路控制之教學電路模組，功能包括 1、調整不同的導通比 D，可觀察與驗證 ( ) ( ) so VDfsV = 。 2、切換不同的電感值，可觀察連續導通模式 CCM 和不連續導通模

式 DCM 的電感電流波形。 3、調整不同信號大小，可觀察脈波寬度的變化(PWM)。 4、調整不同的切換頻率，可觀察電感電流波形及輸出電壓漣波大小

的變化。

5、在開迴路下調整不同的負載或輸入電壓，可觀察輸出電壓的變動。 6、了解 PI 控制器的設計。 7、在閉迴路下調整不同的負載或輸入電壓，輸出電壓會達到穩壓。

第一章降壓型電源轉換器電路分析

1-1 前言

目前在日趨複雜的電子、電腦系統裝置中，切換式電源供應器

（Switching Power Supply）扮演了一個舉足輕重的角色。其廣泛地使

用在電腦相關產品、通訊與網路系統、軍事與航太工業、醫療設備、

工業與儀器用設備、照明系統、民生產品的應用上。本專題的目的是

將切換式電源轉換器的 Buck Converter 電路的操作原理作探討及了

解以及將之製作成教學電路模組以利教學上的運用。

1-2 電路分析

基本的 DC-DC 切換轉換器(圖 1-1)在某些應用而言，控制脈波

輸出之直流量就已足夠，但通常為了要產生一純直流輸出，會把一個

L-C 低通濾波器加至一基本轉換器的開關之後，如圖(1-2)當開關打開

時二極體提供一路徑給電感器電流，而當開關閉合時其為逆偏壓。此

電路稱為 buck 轉換器或降壓式轉換器，因為其輸出電壓小於輸入電

壓。

SV LR OV LRSV

圖(1-1) 基本 dc-dc 切換轉換器

1

+

−xv

LV

↓ ↓CI RI+

−OV

圖(1-2) 降壓式(Buck)dc-dc 轉換器

1-2-1 連續電流導通模式(CCM)

假設低通濾波器為理想，則輸出電壓為輸入至濾波器電壓之平

均，如圖(1-2)之Vx為輸入至濾波器電壓，當開關閉合，而開

關打開時，使得電感電流保持為正，二極體繼續導通。若開關以責任

比 D 週期性閉合(

SX VV =

OFFON

ON

tttD+

= )，則在濾波器輸入端之平均電壓為

VsD。

此分析假設二極體在整個開關打期間依然保持順偏壓，也就是

電感電流會維持為正。亦即電感電流在整個開關切換週期內皆保持為

正，稱為連續電流模式，相反，非連續電流模式為每個週期內電感電

流會放電至零。

2

降壓式轉換器當操作於穩態時具有以下特性:

1.電感電流為週期性:

)()( tiTti LL =+

2.平均電感電壓為零:

∫+

==Tt

t LLdv

TV 0)(1 λλ

3.平均電容電流為零:

∫+

==Tt

t CCdi

TI 0)(1 λλ

4.電源所提供功率與傳遞至負載之功率相同，若元件非理想，則電源

還提供功率損失: )( 理想PP = OS

)( 非理想損失+= OS PP

在開始分析 dc-dc 轉換器前，電感電流連續是很重要的假設，

連續電流意味著整個切換週期內電感電流保持為正，連續電流並不是

轉換器操作之必備條件，於連續電流與非連續電流導通情況中會有不

同的分析方式，以下是分析降壓式轉換器前先做之假設。

1．電路操作於穩態情況下。

2．電感電流為連續(永遠為正)。

3．電容很大，輸出電壓保持固定為V 。此限制稍後會放鬆以指出

有限電容之影響。

O

4．切換週期為 T;開關閉合時間為 DT，打開時間為(1-D)T。

5．元件為理想。

3

決定輸出電壓 Vo 之分析重點為先檢視開關閉合之電感器電流

與電壓，然後在檢視開關打開時之電壓與電流。穩態操作下電感器電

流一週期之淨變化必須為零，平均電感電壓也為零。

開關閉合時之分析

如圖(1-3)所示為開關閉合時降壓式轉換器電路，二極體為逆偏

壓因而開路，即。 VsVx =

電感器兩端電壓為

dtdiLVVV LOSL =−=

整理後得

L

VVdtdi OSL −= (開關閉合)

因為電流導數為一正常數，所以電流線性增加。開關閉合時電流之改

變可經由修改前面方程式可求得

LVV

DTi

ti

dtdi OSLLL −=Δ=

ΔΔ

=

DTL

VV OS ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=Δ 閉合)i( L

+

−= sx vv

osL vvv −=

+

−OV

圖(1-3)開關閉合之電路圖

4

開關打開時之分析

當開關打開，二極體由逆偏壓變為順偏壓因視為短路，以承載

電感電流，如下圖(1-4) 。

+

−= 0XV

OL vv −=

+

−OV

圖(1-4) 開關打開之電路圖

此時在開關打開下之電感器兩端電壓為

dtdiLVv LOL =−=

整理後得

LV

dtdi OL −= (開關打開)

電感電流導數為一負常數，則電流線性減少，如圖 1-5(b)圖。開關打

開時電感器電流之變化為

( ) LTDi

ti LL OV

1−=

−Δ

=ΔΔ

( ) ( )TDiL −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=Δ 1

LVO

打開

5

LV

OS VV −

OV−

t

DT T (a)

MAXI

Li

MINI

t

LiΔ

(b)

t

LiΔ

ci

(c)

圖(1-5) 降壓式轉換器波形:(a)電感器電壓;(b)電感器電流;(c)電容器電流。

當於穩態操作時，要求在切換週期結束時之電感器電流與開始

相同，電感電流一週期內變化為零。即為

0)()( =Δ+Δ 打開閉合 LL ii

可求得

( ) 01 =−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ − TD

LVDT

LVV OOS

解得V 為 O

6

DVV SO =

由上式可知降壓式轉換器所產生的輸出電壓會小於或等於輸入

電壓，也就是 D 不會大於 1。

另外週期性操作下之電感電壓平均值會為零，即為

( ) ( )( ) 01 =−−−−= TDVDTVVV OOSL

亦可求得

DVV SO =

由上可知，輸出電壓與輸入和責任比 D 有關，若輸入電壓變動，

輸出電壓可藉著適當調整責任比而得一穩定值。平均電感電流必須與

負載電阻之平均電流相同，因為在穩態操作下平均電容器電流為零:

RVII ORL ==

且因電感電流之變化，最大與最小電感器電流可求得為

( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −+=

Δ+=

LfD

RVTD

LV

RV

iLII

OOO

L

2111

21

2max

( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −−=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −−=

Δ−=

LfD

RVTD

LV

RV

iLII

OOO

L

2111

21

2min

其中T

f 1= 為切換頻率。

先前分析要有效必須電感器電流為連續，而檢查連續電流的簡

單方法可以使用計算最小電感電流，因為連續電流操作之最小電感電

7

流必須為正，由於二極體關係，計算出為負值是不允許的，而負值表

示電流不連續。電路操作於不連續電感電流時，之前的分析是無效的。

可再由上述公式來求L與之組合以使得電流連續，因為

為連續與不連續的邊界，可得如下

f 0=Imin

( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −−==

LfD

RVI O 2

110min

( ) ( )f

RDLf2

1min

−=

且若已知切換頻率，則

( )f

RDL2

1min

−=

其中為連續電流操作下所需之最小電感值。 minL

輸出電壓漣波

先前的分析中，我們假設電容很大而使得輸出電壓保持固定，

在實際上以有限電容值來說，輸出電壓是無法保持完全固定不變的。

可由電容器之電壓與電流關係求得輸出電壓變動，或漣波。

電容器電流為

RLC iii −=

如圖(1-6)所示。當流經電容器電流為正時，電容充電:

CQV

CVQCVQ

O

O

O

Δ=Δ

=Δ=

8

充電變化為時間軸上方三角形面積: QΔ

82221 LL iTiTQ Δ=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=Δ

可得

CiTV LO 8

Δ=Δ

QΔ

ci

2T

2liΔ

t

(a)

ovΔ

ov

ov t

(b)

圖(1-6)降壓式轉換器波形:(a)電容器電流;(b)電容器漣波電壓

利用 ( ) ( )TDiL −⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−=Δ 1L

VO打開

代入可求得

( ) ( )2811

8 LCfDVTD

LV

CTV OOO

−=−=Δ

此式為輸出電壓之峰對峰值漣波，如圖 1-6(b)。可表示成

281LCf

DVV

O

O −=Δ

9

1-2-2 非連續電流操作之降壓式轉換器(DCM)

以下為針對非連續電流不同於連續電流的分析，如圖(1-7)所

示，降壓式轉換器非連續電流操作之電感與電流電源。輸出與輸入間

之關係可由週期性操作之平均電感器電壓為零而求得，如圖 1-7(c)。

( ) 01 =−− TDVDTVV OOS

( ) 1DVDVV OOS −−

t

Li

MAXILiΔ

TD1DT T

(a)

MAXI

si

DT Tt

(b)

t

OS VV −LV

OV−

DT TTD1

(c) 圖(1-7)非連續電流之降壓式轉換器(a)電感器電流;(b)電源電流;(c)電感器電壓。

10

整理可得

1DDDV

VV

SS

O

+=

且因平均電容器電流為零，所以平均電感電流與平均電阻電流會相

等，假設輸出電壓固定，則

RV

LI ORL ==

經計算後得

( )1max1maxmax 21

21

211 DDITDIDTI

TI L +=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

( )R

VDDI O=+ 1max21

由於電流皆由零開始，所以在整個開關閉合時間內，最大電流與電流

之變化相同，當開關閉合時，電感器兩端之電壓為

OSL VVV −=

DTI

DTiL

tiL

LVV

dtdiL OS max=Δ=

ΔΔ

=−

=

以解得 ( DVV − )OS

LTDVDT

LVViLI OOS 1max =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=Δ=

再代入 ( )R

VDDI O=+ 1max2

1得

11

( ) ( )R

VDD

LTDV

DDI OO =+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=+ 1

11max 2

121

則

0212

1 =−+ RTLDDD

解得為 1D

2

82

1RT

LDDD

++−=

1D 代回可得

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

++=

+=

RTLDD

DVDD

DVV SSO 82)(

21

12

第二章脈波寬度調變 (PWM)

2-1 前言

PWM 訊號為一脈波週期(頻率)固定，而以訊號輸入大小來改

變脈波寬度的調變電路。然而脈波寬度調變(PWM)電路圖(2)所示，

轉換補償誤差放大器之輸出為責任比，誤差放大器輸出電壓，與大

小為之鋸齒波比較如下公式推導所示。當大於鋸齒波則 PWM 電

路輸出為高準位。而當比鋸齒波小則輸出為零。若輸出電壓低於參

考值，則轉換器輸出與參考信號間之誤差增加，使得增加而責任比

增加。相反地，輸出電壓上升使得責任比減少。

CV

PV CV

CV

CV

P

C

VV

D =

因此 PWM 之轉移函數為 PC VSV

SD 1)()(=

+

- 2

36

-

+

2

37

3

2K

3

Y2

5555 6

30K

6 6666

10K

77

0.001uF

125

11 8

6 7

8 88 88 8888

+Vcc +Vcc

TL-494LF351LF311

8

圖(2)

13

2-2 主要元件之接腳圖

2-2-1 LF351 OP 放大器

+

EEV

CCV

圖(2-1) LF351 之接腳圖

2-2-2 LM 311 比較器

EEV

CCV

圖(2-2) LF311 之接腳圖

14

2-3 脈波寬度調變模擬

2-3-1 電路圖

VCC

VEE 5

13

4

2

X2LF351M

R110K

R220K

V115V

V2-15V C1

0.001uF6

V55V

VCC

VEE

9

11

8

7

X4LM311

V615V

V7-15V

10

R32K

V815V

Y1

Y2

Y3 Y4

TL494

圖(2-3)

2-3-2 模擬波形

Pulse Transient Simualtor Option Pulsed: 4 Data step: 1u Method: Gear Delay Time: 0u Total: 50m Retol: 0.01 Rise Time: 50u Fall Time: 50u Pulse Windth: 2u Period: 40u Phase Delay: 0

15

1

25.0M 25.0M 25.0M 25.0M 25.0MWFM.1 Y1 vs. TIME in Secs

12.0

6.00

0

-6.00

-12.0

Y1

in V

olts

圖(2-4)輸出三角波

1


12.0

6.00

0

-6.00

-12.0

Y2

in V

olts

圖(2-5)輸出三角波放大三倍

16

2

1


12.0

6.00

0

-6.00

-12.0

Y3

in V

olts

12.0

6.00

0

-6.00

-12.0

Y2

in V

olts

圖(2-6)輸出放大三角波與直流作比較

1


30.0

20.0

10.00

0

-10.00

Y4

in V

olts

圖(2-7)經比較器輸出之方波

17

2-4 脈波寬度調變實作

2-4-1 使用材料

TL -494 × 1

LM-311 × 1

LM-351 × 1

電阻：2kΩ × 1

電阻：30kΩ × 1

電阻：10kΩ × 1

電容：0.001uF × 1

可變電阻：100kΩ × 1

+

- 2

36

-

+

2

37

3

2K

3

Y2

5555 6

30K

6 6666

10K

77

0.001uF

125

11 8

6 7

8 88 88 8888

+Vcc +Vcc

TL-494LF351LF311

8

圖(2-8)PWM 實作電路圖

18

2-4-2 實作波形

圖(2-9)輸出三角波

圖(2-10)輸出三角波放大三倍

19

圖(2-11)經比較器輸出之方波

圖(2-11)輸出放大三角波、經 LM311 輸出波形與直流作比較

20

第三章 IsSpice 模擬與實作(CCM 與 DCM)

3-1 前言

在做電路實作之前，必須知道各項數據的考量以及到底最後實作

出來的波形是否為我們所要的波形，所以我們在進行實作的測試之前

先行列用 IsSpice 軟體來模擬我們之後要進行的實作電路。在經過模

擬測試後才依序進行我們往後的步驟來達到我們所要狀況，以下是我

們利用電力電子學課本的例題進行模擬測試以及實作模擬與實作的

波形比較。

3-2 IsSpice 模擬課本例題

3-2-1 連續電流導通模式(CCM)

1

V150

23

R11k

4

R210

5

L1400UH

6

Vgs

C1100UF R3

10X3XFMR

D2MUR820

Δ

VL

Vgs

VoX2IRF540

IL

Vd

Ic

圖(3-1)

21

如圖(3-1)之降壓型轉換器所示各參數為： VVS 50= 、、4.0=D

HL μ400= 、 FC μ100= 、 kHzf 20= 、 Ω= 20R ，假設元件為理想，求(a)

輸出電壓V ，(b)最大與最小電感器電流，(c)輸出電壓漣波，(d)利用

IsSpice 模擬來印證理論分析。

O

[解]：

(a) VDVV SO 20)4.0)(50( ===

(b) ⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡ −+=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+= − ))10(20)10)(400(2

4.0120120

211

36LfD

RVI OMAX

A75.125.11 =+=

⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡ −=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −= − ))10(20)10)(400(2

4.01-20120

21-1 36Lf

DR

VI OMIN

A0.2525.1-1 ==

(c) 2662 )20000()10)(100()10)(400(84.01

81

−−

−=

−=

ΔLCf

DVV

O

O

%469.000469.0 ==

22

(d)以 IsSpice 來印證理論分析，以下是模擬參數條件以及模擬結果。

Pulse Transient Simualtor Option Pulsed: 15 Data step: 50n Method: Gear Delay Time: 0 Total: 50m Retol: 0.01 Rise Time: 0 Fall Time: 0 Pulse Windth: 20u Period: 50u Phase Delay: 0

21.8M19.6<

x>

1

5.00M 15.0M 25.0M 35.0M 45.0MWFM.1 VO vs. TIME in Secs

35.0

25.0

15.0

5.00

-5.00

VO

in V

olts

圖(3-2) 輸出電壓波形 OV

由圖(3-2)可知：理論值輸出電壓為 20V，實際模擬值為 19.6V，

兩數值相差不大。

23

25.0M1.72<

x>

25.0M240M<

x>

1

24.9M 25.0M 25.0M 25.0M 25.1MWFM.1 IL vs. TIME in Secs

4.00

2.00

0

-2.00

-4.00

IL in

Am

ps

圖(3-3) 電感電流波形

由圖(3-3)可知：理論值電感電流最大值 1.75 A 與最小值 0.25A，

實際模擬值最大值 1.72 A 與最小值 0.25 A，兩數值相差不大。

25.1M30.3<

x>

1

24.9M 25.0M 25.0M 25.0M 25.1MWFM.1 VL vs. TIME in Secs

40.0

20.0

0

-20.0

-40.0

VL

in V

olts

圖(3-4) 電感電壓波形

24

25.0M15.0<

x>

1

24.9M 25.0M 25.0M 25.0M 25.1MWFM.1 VGS vs. TIME in Secs

20.0

10.00

0

-10.00

-20.0

VG

S in

Vol

ts

圖(3-5) MOSFET 之波形 gsV

25.1M30.3<

x>

1


40.0

20.0

0

-20.0

-40.0

VL

in V

olts

圖(3-6) 快速二極體之電壓波形

25

1

24.9M 25.0M 25.0M 25.0M 25.1MWFM.1 IC vs. TIME in Secs

4.00

2.00

0

-2.00

-4.00

IC in

Am

ps

圖(3-7) 電容電流之波形

3.81M19.9<

x>

5.81M19.6<

x>

1


35.0

25.0

15.0

5.00

-5.00

VO

in V

olts

圖(3-8) 漣波電壓

26

3-2-2 非連續電流導通模式(DCM)

1

V124

23

R11k

4

R210

5

L1200UH

6

Vgs

C11000UF R3

20X3XFMR

D2MUR820

Δ

VL

Vgs

VoX2IRF540

IL

Vd

Ic

圖(3-9)

如圖(3-9)之降壓型轉換器所示各參數為： VVS 24= 、、4.0=D

HL μ002= 、 FC μ0100= 、 kHzf 01= 、 Ω= 20R ，(a)證明電感電流是非連

續的，(b)求輸出電壓V ，(c) 利用 IsSpice 模擬來印證理論分析。 O

1 1

[解]：

(a)電流非連續，則，可以由下式求得： DD −

(b)因為已求得且證明為非連續電流，所以輸出電壓可由下式求得： 1D

VDD

DVV SO 9.1329.04.04.020

1

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

(c) 以 IsSpice 來印證理論分析，以下是模擬分析數據以及模擬結果：


32.7M13.8<

x>

1


25.0

15.0

5.00

-5.00

-15.0

VO

in V

olts

圖(3-10) 輸出電壓波形 OV

由圖(3-10)可知：理論值輸出電壓為 13.9V，實際模擬值為 13.8V，

兩數值相差不大。

28

25.0M2.03<

x>

1

24.9M 24.9M 25.0M 25.1M 25.1MWFM.1 IL vs. TIME in Secs

4.00

2.00

0

-2.00

-4.00

IL in

Am

ps

圖(3-11) 電感電流之波形

25.0M10.1<

x>

1


20.0

10.00

0

-10.00

-20.0

VL

in V

olts

圖(3-12) 電感電壓之波形

29

25.0M15.0<

x>

1


20.0

10.00

0

-10.00

-20.0

VG

S in

Vol

ts


25.0M23.9<

x>

1

24.9M 24.9M 25.0M 25.1M 25.1MWFM.1 VD vs. TIME in Secs

20.0

10.00

0

-10.00

-20.0

VD

in V

olts

圖(3-14) 快速二極體之電壓波形

30

25.0M1.33<

x>

1

24.9M 24.9M 25.0M 25.1M 25.1MWFM.1 IC vs. TIME in Secs

4.00

2.00

0

-2.00

-4.00

IC in

Am

ps

圖(3-15) 電容電流之波形

32.7M13.8<

x>

1


25.0

15.0

5.00

-5.00

-15.0

VO

in V

olts

圖(3-16) 漣波電壓

31

3-3 模擬與實作波形比較

3-3-1 實作電路利用 IsSpice 模擬出連續電流導通模式(CCM)之波形

如圖 (3-17)之降壓型轉換器所示各模擬參數為：、

、

VVS 15=

3.0=D HL μ074= 、 FC μ0100= 、 kHzf 52= 、 Ω= 03R 。

5

Vs15

21

R11k

3

R210

6

L1470U

4

Vgs

C11000u R3

30X3XFMR

D2MUR820

Δ

VL

VGS

VoX2IRF540

Y1

圖(3-17) 以下是模擬參數條件以及模擬結果


32

1

45.0M 45.0M 45.0M 45.0M 45.0MWFM.1 IY1 vs. TIME in Secs

400M

200M

0

-200M

-400M

IY1

in A

mps

圖(3-18) 模擬電感電流之波形

1


12.0

6.00

0

-6.00

-12.0

VL

in V

olts

圖(3-19) 模擬電感電壓之波形

33

1


16.0

8.00

0

-8.00

-16.0

VG

S in

Vol

ts

圖(3-19) 模擬 MOSFET 之波形 gsV

32.1M4.23<

x>

1


7.00

5.00

3.00

1.00

-1.00

VO

in V

olts

圖(3-20) 輸出電壓波形

34

3-3-2 實作電路利用 IsSpice 模擬非連續電流導通模式(DCM)之波形

如圖 (3-21)之降壓型轉換器所示各模擬參數為：、

、

VVS 15=

3.0=D HL μ40= 、 FC μ0100= 、 kHzf 52= 、 Ω= 03R 。

5

Vs15

21

R11k

3

R210

6

L140U

4

Vgs

C11000u R3

30X3XFMR

D2MUR820

Δ

VL

VGS

VoX2IRF540

Y1

圖(3-21)

以下是模擬參數條件以及模擬結果


35

1

30.0M 30.0M 30.0M 30.0M 30.0MWFM.1 IY1 vs. TIME in Secs

2.00

1.00

0

-1.00

-2.00

IY1

in A

mps

圖(3-22) 模擬電感電流之波形

1


12.0

6.00

0

-6.00

-12.0

VL

in V

olts

圖(3-23) 模擬電感電壓之波形

36

1


16.0

8.00

0

-8.00

-16.0

VG

S in

Vol

ts


46.9M8.17<

x>

1


8.00

4.00

0

-4.00

-8.00

VO

in V

olts

圖(3-25) 輸出電壓波形

37

3-3-3 實作電路連續電流導通模式(CCM)之波形

圖(3-26)電感電流之波形

圖(3-27)電感電壓之波形

38

3-3-4 實作電路非連續電流導通模式(DCM)之波形

圖(3-28)電感電流之波形

圖(3-29)電感電壓之波形

39

第四章閉迴路控制之實作與教具功能

4-1 前言

我們將利用降壓型轉換器與 PWM 電路、參考電壓電路、PI 控

制器、脈衝變壓器電路結合成的閉迴路系統來達到我們想要的結果，

為什麼要做閉迴路控制呢?為了使輸出電壓在電源變動時達到穩壓、

輸出電壓在負載變動時達到穩壓。

4-2 閉迴路控制之實作

切換式 DC-DC 轉換器之輸出電壓為輸入電壓與責任比之函數。

在實際非理想元件電路中，輸出還為負載電流之函數。電源供應器之

輸出可藉著調變責任比以補償輸入或負載之變動來加以調整。電源供

應器之回饋控制系統比較輸出電壓與一參考值並轉換誤差(error)為責

任比。

操作於連續電流模式之降壓式轉換器被用來說明電源供應器控

制之基本原理與。(此討論亦適用電壓氣匝數比為 1：1 順向式轉換器)

如圖(4-1)所示

● 開關，包含二極體與驅動電路

● 輸出濾波器

● 補償誤差放大器

● 脈波寬度調變電路，其轉換補償誤差放大器之輸出為責任比已驅

40

動開關所組成之回饋電路。如圖(4-2)所示

sv

ov

refv

圖(4-1)

補償誤差放大器 PWM 開關

濾波器與負載

refvov

圖(4-2)

使用材料

功率電晶體 IRF540 × 1

脈衝變壓器 × 1

快速二極體 MUR × 1

齊鈉二極體 6V × 1

電感 470μH × 1，40μH × 1

LF356 × 1

LM311 × 1

41

TL494 × 1

精密可變電阻：20kΩ× 1

精密可變電阻：10kΩ× 1

可變電阻：100kΩ× 1，20kΩ× 2，10 kΩ×1

水泥電阻：30Ω/20w × 2

電阻：1kΩ × 2

電阻：30kΩ × 1

電阻：2kΩ × 1

電阻：100kΩ × 3

電阻：10kΩ × 8

電阻：10Ω × 1

電容 :2.2UF X 2(電解.陶瓷各一個)

電容：0.001uF × 1(陶瓷)

電容：1000uF × 1

電容：1uF × 1

電容：100uF × 3

有段開關 × 4

42

+ - 236

+ - 236

+ - 236

+ - 236

+ - 236

Vs

1000uF

IRF540

MU

R824

470mH

1000uF20/30W

20/30W

SW2

1K

10D

100uF

10K +Vcc100K

100K

1uF100K

10K

10K

10K

10K10K

100UuF

6V10K

20K10K

SW

3

+Vcc

-+ 237

23

129

13

100uF2K

Y4

30K10K

0.001uF

125

118

67

+Vcc+Vcc

+Vcc

SW1

70mH

1uF

TL-494LF351

LF311

UA

741U

A741

UA

741U

A741

變壓

器

+

-

+

-

IR2117

圖(4-3)閉迴路控制電路圖

43

4-2-1 實作波形

PWM

圖(4-4)TL494 三角波之波形

圖(4-5)TL494 三角波放大 3 倍之波形

44

圖(4-6)LM311 方波

圖(4-7)脈衝變壓之波形

45

4-2-2 輸出電壓在電源變動時達到穩壓

(OPEN LOOP):

圖(4-8)15V→10V

(CLOSED LOOP):

圖(4-9)15V→10V

46

(OPEN LOOP):

圖(4-10)10V→15V

(CLOSED LOOP):

圖(4-11)10V→15V

47

4-3 教具功能與實作成品

1、調整不同的導通比 D，可觀察與驗證

圖(4-12)

1 2

3 7

5 4

6

( ) ( )VDfsV so =

2、切換不同的電感值，可觀察連續導通模式 CCM 和不連續導通模

式 DCM 的電感電流波形

3、調整不同信號大小，可觀察脈波寬度的變化( PWM)

4、調整不同的切換頻率，可觀察電感電流波形及輸出電壓漣波大小

的變化。

5、在開迴路下調整不同的負載或輸入電壓，可觀察輸出電壓的變動。

6、在閉迴路下調整不同的負載或輸入電壓，輸出電壓會達到穩壓。

7、了解 PI 控制器的設計。

48

圖(4-13)實作電路板

圖(4-14)實作電路板

49

圖(4-15)實作電路盒

圖(4-16)實作電路盒

50

第五章結論

對於我們製作專題過程我們以下列三點作為結論：

1、教具功能

我們利用 Buck Converter (CCM 及 DCM)作電路的分析並完成

Buck Converter 其功能，包括開迴路及閉迴路之電路模擬和實作以及

教具的功能。綜合出以下幾點結論：

1、調整不同的導通比 D，可觀察與驗證 ( ) ( )VDfsV so =

2、切換不同的電感值，可觀察連續導通模式 CCM 和不連續導通模

式 DCM 的電感電流波

、調整不同信號大小，可觀察脈波寬度的變化( PWM)

4、調整不同的切換頻率，可觀察電感電流波形及輸出電壓漣波大小

的變化。

5、在開迴路下調整不同的負載或輸入電壓，可觀察輸出電壓的變動。

6、在閉迴路下調整不同的負載或輸入電壓，輸出電壓會達到穩壓。

7、了解 PI 控制器的設計。

2、成果檢討

形

3

在此次專題中有幾個地方我們需要改進的：

1、可將測量電感電流的線路設計到教學盒上以便測量，這樣是我們

未實行的。

51

2、電源的輸入，應該製作另一電源供應器以達到教學盒使用之便利。

3、電路板的製作可使用 PCB 板來製作，但我們使用洞洞板造成焊接

時的不便。

4、訊號輸出之雜訊過太大，消除雜訊之方法我們並未設計。

3、未來發展

我們在製作教學電路盒上的目的是為了教學上的方便而製作成

可以試著製作返馳

盒子的形式，但是我們只製作了降壓式，未來也

式、順向式、推挽式…等其他轉換器的教學電路盒。

52

參考文獻

書名作者出版社

IsSpice Version 8

交談是電路模擬分析與應用林志一、曾龍圖全華

IsSpice 在電力電子學與電源轉

換器上的應用

鄭培育全華

電力電子學王順忠東華

電力電子分析與模擬鄭培璿全華

閉迴路控制之降壓型轉換器

林淨慧萬金發、高

煜彬、洪嘉偉、曾建

偉

崑山科技

大學電機

工程系

、

自動控制李振興全威

指導教

授簽名

53

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