buck電路設(shè)計

1、buck變換器設(shè)計作業(yè)一buck主電路設(shè)計 1.占空比d計算2.電感l(wèi)計算3.電容c計算4.開關(guān)元件q的選取 二. buck變換器開環(huán)分析三. buck閉環(huán)控制設(shè)計1.閉環(huán)控制原理2.補償環(huán)節(jié)gc(s)的設(shè)計k因子法3.psim仿真4. 補償環(huán)節(jié)gc(s)的修正應(yīng)用sisotool5修正后的psim仿真四 標稱值電路psim仿真五設(shè)計體會buck變換器性能指標: 輸入電壓：標準直流電壓48v，變化范圍：43v53v 輸出電壓：直流電壓24v，5a 輸出電壓紋波：100mv 電流紋波：0.25a 開關(guān)頻率：fs=250khz 相位裕度：60 幅值裕度：10db一. buck主電路設(shè)計：1.占空比

2、d計算 根據(jù)buck變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比d的變化范圍。 2.電感l(wèi)計算 3.電容c計算 電容耐壓值：由于最大輸出電壓為24.1v，則電容耐壓值應(yīng)大于24.1v。 考慮到能量儲存以及伏在變化的影響，要留有一定的裕度，故電容選取120uf/50v電容。4.開關(guān)元件q的選取 該電路的輸入電壓是43v53v，則開關(guān)管耐壓值為53v，電流的最大值為，其開關(guān)頻率為，因此選用的mosfet管mtd6n15t4g，其額定值為。buck主電路傳遞函數(shù)gvd（s） 占空比d（t）到輸出電壓vo（t）的傳遞函數(shù)為： 其中， 取resr=50m，負載r=4.8，又知l=105uh，c=120uf，可

3、求得0=8862.7rad/s，f0=0/2=1410.5hz，q=4.0269，z=166670rad/s，fz=z/226526hz。二. buck變換器開環(huán)分析matlab仿真頻域特性如下bode圖由上圖可得，gvd(s)的低頻增益為33.8db，截止頻率fc=10.2khz，相位裕度=2360，相位裕度不足，高頻段是-20db/dec。1. 開環(huán)傳遞函數(shù)在低頻段的增益較小，會導(dǎo)致較大的穩(wěn)態(tài)誤差2. 中頻段的剪切頻率較小會影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使調(diào)節(jié)時間較大。剪切頻率較大則會降低高頻抗干擾能力。3. 相角裕度太小會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量較大。4. 高頻段是-20db/de

4、c,抗干擾能力差。psim仿真（1）輸入電壓為48v時電壓仿真波形如下圖電壓穩(wěn)定時間大約5毫秒，穩(wěn)定在24v電壓穩(wěn)定后的紋波如下圖電壓穩(wěn)定后的紋波大約為0.01v電流仿真波形如下圖電流穩(wěn)定時間大約6毫秒，穩(wěn)定在5a電流穩(wěn)定后的紋波如下圖電流穩(wěn)定后的紋波大約為0.002a（2）輸入電壓變?yōu)?3v時當(dāng)輸入變?yōu)?3v時，輸出電壓變?yōu)榱?6.5v。由仿真結(jié)果知，輸出電壓隨輸入變化而變化，無法使負載得到穩(wěn)定的電壓。三. buck閉環(huán)控制設(shè)計1.閉環(huán)控制原理 輸出電壓采樣與電壓基準送到誤差放大器，其輸出經(jīng)過一定的補償后與pwm調(diào)制后控制開關(guān)管q的通斷，控制輸出電壓的穩(wěn)定，同時還有具有一定的抑制輸入和負載擾

5、動的能力。令pwm的載波幅值等于1，則開環(huán)傳遞函數(shù)為f（s）=gvd(s)*h(s)*gc(s)2.補償環(huán)節(jié)gc(s)的設(shè)計k因子法補償環(huán)節(jié)gc(s)選用pid調(diào)節(jié)器。 其中， （1） 確定閉環(huán)傳遞函數(shù)f(s)的剪切頻率fc為了使系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，那么fc越大越好；為了抑制開關(guān)頻率出的干擾，fc取的越小越好。因此fc要這種考慮。取fc=16khz（2） 計算gb取vref=12v，h(s)=1/2,則gb=1/(gvd(fc)*h(fc)= 4.5561（3） 計算kgvd(s)在fc=16khz處的相位是- 147.6，有因為buck變換器的相位裕度指標是60，取相位裕度為65所以b=60-

6、180-（-90）-（-173）= 122.6 由公式b=2（arctan（k）- arctan（1/k）得k= 15.3（4） 確定零極點（5） 計算元件參數(shù)先取r1=1k,rbias=1k,則由上述結(jié)果及公式可解得r2=67，r3=1246，c1=36.37nf，c2=5.96nf，c3=31.2pf3.psim仿真 電壓仿真結(jié)果如下圖超調(diào)量太大，峰值電壓達到了39.5v，要對k因子算出的結(jié)果進行修正。4. 補償環(huán)節(jié)gc(s)的修正應(yīng)用sisotool（1）把gvd，gc，h=0.5放到sisotool中得到k因子法算得的開環(huán)傳遞函數(shù)f(s)的bode圖如下圖幅值裕度為-20.4db，明顯

7、不符合要求。閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如下圖 閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線不理想，超調(diào)量過大。（2）修正方法在sisotool的bode圖中調(diào)節(jié)零極點和曲線位置，找到一個不錯的閉環(huán)階躍響應(yīng)如下圖 此時的bode圖如下圖（3）修正后的gc的fc=55khz，幅值裕度為無窮大，相角裕度為99.7，wz1=12821rad/s， wz2=10101rad/s, wp1=393240rad/s, wp2=1996400rad/s, 得修正后的gc為（4）修正后的參數(shù)為r1=rbias=1k，r2=33.8，r3=1381.4，c1=75.2nf，c2=0.364nf，c3=71.56nf5修正后的psim仿真（1）額定輸入

8、電壓，額定負載下的仿真電壓響應(yīng)如下圖電壓穩(wěn)定時間大約為1毫秒，穩(wěn)定值為24v，超調(diào)量有所減少，峰值電壓減小到了34.75v.穩(wěn)定后的電壓紋波如下圖電壓紋波大約為11mv電流紋波如下圖 電流紋波大約為14ma，符合要求。（2）額定輸入電壓下，由半載到滿載的仿真 電壓響應(yīng)曲線如下圖 電壓調(diào)節(jié)時間大約0.4ms，紋波不變大約為11mv。由此可見，輸出電壓對負載變化的反應(yīng)速度很快且輸出電壓穩(wěn)定。電流響應(yīng)曲線如下圖（3）額定負載下，輸入電壓變化時的仿真輸入電壓從48v變到53v時的電壓響應(yīng)如下圖輸出電壓的局部放大圖像如下圖 由上圖可知，輸出電壓調(diào)節(jié)時間大約為0.5ms，而且穩(wěn)壓效果好。四 標稱值電路ps

9、im仿真實際值為r1=rbias=1k，r2=33.8，r3=1381.4，c1=75.2nf，c2=0.364nf，c3=71.56nf取標稱值為r1=rbias=1k，r2=34，r3=1370，c1=82nf，c2=36pf，c3=68nf （1）額定輸入電壓，額定負載下的仿真電壓響應(yīng)如下圖電壓穩(wěn)定時間大約為1毫秒，穩(wěn)定值為24v，峰值電壓為34.5v.穩(wěn)定后的電壓紋波如下圖電壓紋波大約為11mv電流紋波如下圖 電流紋波大約為14ma，符合要求。（2）額定輸入電壓下，由半載到滿載的仿真 電壓響應(yīng)曲線如下圖 電壓調(diào)節(jié)時間大約0.4ms，紋波不變大約為11mv。由此可見，輸出電壓對負載變化的反應(yīng)速度很快且輸出電壓穩(wěn)定。（3）額定負載下，輸入電壓變化時的仿真輸入電壓從48v變到53v時的電壓響應(yīng)如下圖輸出電壓的局部放大圖像如下圖 由上圖可知，輸出電壓調(diào)節(jié)時間大約為0.5ms，而且穩(wěn)壓效果好。五設(shè)計體會 通過buck變換器的設(shè)計，可以看出閉環(huán)控制的穩(wěn)壓及抑制干擾的作用。 在設(shè)計補償電路時，k因子法是個不錯的方法，簡單準確，但難以使開