BUCK開關電源閉環(huán)控制的仿真研究-55V25V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY課 程 設 計 說 明 書課程設計名稱：電力電子技術題目：BUCK開關電源閉環(huán)控制的仿真研究- 55V/25V目錄一、課題背景31.1 BUCK電路的基本結(jié)構(gòu)及等效電路基本規(guī)律31.2 BUCK電路的工作原理31.3BUCK電路應用4二、目的5三、設計要求5四、設計步驟5（一）主電路參數(shù)設計5（二）濾波電感L的計算6（三）閉環(huán)系統(tǒng)的設計61、閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖62、BUCK變換器原始回路傳函的計算73、補償器的傳函設計：見附錄373、閉環(huán)系統(tǒng)仿真8五、總結(jié)和心得9六、參考文獻10七、附錄11附錄1：11附錄2：11附錄3：12附錄

2、4：12附錄5：14一、課題背景1.1 BUCK電路的基本結(jié)構(gòu)及等效電路基本規(guī)律 電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器設計的原則是使 us(t)的直流分量可以通過，而抑制 us(t) 的諧波分量通過；電容上輸出電壓 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小紋波uripple(t) 。 電路工作頻率很高，一個開關周期內(nèi)電容充 放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對于電容上輸出的直流電壓Uo有： 電容上電壓宏觀上可以看作恒定。 電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。一個周期內(nèi)電容充電電荷

3、高于放電電荷時，電容電壓升 高，導致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內(nèi)放 電電荷高于充電電荷，將導致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時的一個普遍規(guī)律。開關S置于1位時，電感電流增加，電感儲能；而當開關S置于2位時，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個開關周期內(nèi)電感上磁鏈增量為： ，

4、此增量將產(chǎn)生一個平均感應電勢： 此電勢將減小電感電流的上升速度并同時降低電感電流的下降速度，最終將導致一個周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個開關周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運行時的又一個普遍規(guī)律。1.2 BUCK電路的工作原理1.2.1電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下穩(wěn)態(tài)工作過程分析 圖1-2 BUCK電路的等效電路 （1）晶體管導通狀態(tài) VD關斷，依據(jù)等效電路拓撲，由于電路頻率很高，一個周期內(nèi) 和 基本維持不變，可視為固定值， 為常數(shù)，電流變化為線性。， 。（2）二極管VD

5、導通模式 晶體管關斷，電感續(xù)流，二極管導通 ，同樣，由于 視為維持不變，則輸出電流線性減小。，。1.3BUCK電路應用BUCK電路主要應用于低壓大電流領域，其目的是為了解決續(xù)流管的導通損耗問題。采用一般的二極管續(xù)流，其導通電阻較大，應用在大電流場合時，損耗很大。用導通電阻非常小的MOS管代替二極管，可以解決損耗問題，但同時對驅(qū)動電路提出了更高的要求。此外，對Buck電路應用同步整流技術，用MOS管代替二極管后，電路從拓撲上整合了Buck和Boost兩種變換器，為實現(xiàn)雙向DC/DC變換提供了可能。在需要單向升降壓且能量可以雙向流動的場合，很有應用價值，如應用于混合動力電動汽車時，輔以三相可控全橋

6、電路，可以實現(xiàn)蓄電池的充放電。下面介紹幾種應用實例：1.3.1 UC3842電路UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該芯片集成了振蕩器、具有高溫補償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電流、輸入和基準欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路。其應用領域為：開關電源；工業(yè)電源；電壓反饋電路設計；反激開關電源設計。1.3.2 SG3525電路SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。

7、它的應用領域是：開關電源；直流變換器；逆變器設計；脈沖寬度調(diào)制。1.3.3 TL431電路TL431是可控精密穩(wěn)壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Verf（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應用中用它代替穩(wěn)壓二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路，可調(diào)壓電源，開關電源等。應用領域：電平值轉(zhuǎn)換；充電器；開關電源；適配器；DVD；電視機。1.3.4 BUCK電路的使用注意BUCK電路只有一個電感，沒有變壓器，輸入與輸出不能隔離。這就存在一個危險，一旦功率開關損壞電路，輸入電壓將直接加到負載電路，因為占空比D<1，所以BUCK電路僅有一路輸出，如果

8、輸出電壓為5V，還需要3.3V時，則要加后續(xù)調(diào)節(jié)器，BUCK電路在多路輸出時是這樣應用的。二、目的1. 了解開、閉環(huán)降壓拓撲的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；2. 掌握BUCK開關電源電路中各元器件選擇和主要參數(shù)的計算；3. 運用Matlab仿真軟件對所設計的開、閉環(huán)降壓電路進行仿真。4. 掌握降壓電路電壓控制雙極點、雙零點補償器環(huán)節(jié)的設計與仿真技術。三、設計要求輸入直流電壓(VIN)：55V輸出電壓(VO)：25V輸出電流(IN)：5A輸出電壓紋波(Vrr)：50mV5、開關頻率(fs)：80kHz6、負載突變?yōu)?0%的額定負載7、電流脈動峰-峰值：8、二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電阻壓降VL=0.

9、1V，開關管導通壓降VON=0.5V9、采用壓控開關s2實現(xiàn)80%的額定負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號幅值為1.周期為0.012s，占空比2%，相位延遲0.006s。四、設計步驟（一）主電路參數(shù)設計1、電容等效電阻RC和濾波電感C的計算Buck變換器主電路如圖下所示，其中RC為電容的等效電阻(ESR)。圖1-1 Buck變換器主電路圖輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關， （1-1）電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，但C與RC的乘積趨于常數(shù)，約為5080*F。本例中取為75*F。 計算出RC和C的值。（二）濾波電感L的計算開關管閉合與導通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程，再利用，可得TON=

10、5.818S，將此值回代式(2)，可得L=0.3421mH（三）閉環(huán)系統(tǒng)的設計1、閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖整個BUCK電路包括Gc(S)為補償器，Gm（S）PWM控制器，Gvd（S）開環(huán)傳遞函數(shù)和H(S) 反饋網(wǎng)絡。采樣電壓與參考電壓Vref比較產(chǎn)生的偏差通過補償器校正后來調(diào)節(jié)PWM控制器的波形的占空比，當占空比發(fā)生變化時，輸出電壓Uo做成相應調(diào)整來消除偏差。系統(tǒng)傳函框圖：系統(tǒng)框圖如下：見附錄12、BUCK變換器原始回路傳函的計算采用小信號模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)GO(s)為： 其中為鋸齒波PWM環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，近似成比例環(huán)節(jié)，為鋸齒波幅值Vm的倒數(shù)。為采樣網(wǎng)絡傳遞函數(shù)，Rx，Ry

11、為輸出端反饋電壓的分壓電阻，為開環(huán)傳遞函數(shù)。將Vm=50V,H(S)=5/6,Vin=55V,C=0.75*10(-3)F,Rc=0.1歐，L=0.3421*10(-3)H，R=5歐代入傳函表達式，得到：用matlab繪制波德圖，得到相角裕度21.1度。所用matlab程序：見附錄2由于相角裕度過低。需要添加有源超前滯后補償網(wǎng)絡校正。3、補償器的傳函設計：見附錄3補償器的傳遞函數(shù)為：有源超前滯后補償網(wǎng)絡有兩個零點、二個極點。零點為：,極點為：位原點，,頻率與之間的增益可近似為：在頻率與之間的增益則可近似為：考慮達到抑制輸出開關紋波的目的，增益交接頻率取開環(huán)傳函的極點頻率為,將兩個零點的頻率設計

12、為開環(huán)傳函兩個相近極點頻率的，則.將補償網(wǎng)絡兩個極點設為以減小輸出的高頻開關紋波。先將R2任意取一值，然后根據(jù)公式可推算出R1，R3，C1，C2，C3，進而可得到Gc（S）。根據(jù)Gc(S) 確定Kp，ki,kd的值。依據(jù)上述方法計算后，Buck變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)：G(s)=GO(s)Gc(s)計算過程可通過matlab編程完成。根據(jù)閉環(huán)傳函，繪制波德圖，得到相角裕度，驗證是否滿足設計要求。參考程序如下：見附錄4依據(jù)上述方法計算后，Buck變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)：T(s)=GO(s)Gc(s)=3、閉環(huán)系統(tǒng)仿真用Matlab繪制Buck電路雙極點-雙零點控制系統(tǒng)的仿真圖（不含干擾負載）(2) 對閉環(huán)

13、系統(tǒng)進行仿真（不含干擾負載），使參數(shù)符合控制要求），并記錄波形。經(jīng)過調(diào)試，設置傳輸延遲(Transport Delay)的時間延遲(Time Delay)為0.0002，積分(Integrator)的飽和度上限(Upper saturation limit)為1.5，下限為1.3，絕對誤差(Absolute tolerance)為0.000001，PWM的載波為100kHz，幅值為1.5V的鋸齒波。(4) 設置仿真時間為0.04s，采用ode23s算法，可變步長。(5) 系統(tǒng)在突加、突卸80%額定負載時的輸出電壓和負載電流的波形。其中采用壓控開關S2實現(xiàn)負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號

14、幅值為1，周期為0.012S，占空比為20%，相位延遲0.006S。波形圖：見附錄5五、總結(jié)和心得這次課程設計歷時一個星期，通過這一個星期的學習我發(fā)現(xiàn)了自己還存在很多不足的地方，例如，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏的，理論聯(lián)系實際的能力還有待提高。 在此次課程設計中，我知道了BUCK電路的工作原理，還有濾波電感，濾波電容的計算，開環(huán)原始傳遞函數(shù)的計算以及伯德圖和相角裕量的分析等等。 這次的課程設計也讓我看到了團隊的力量，我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發(fā)揚團結(jié)協(xié)作的精神。剛開始的時候，大家就分配好了各自的任務，有的繪制原理圖，有的進行

15、仿真實驗，還有的積極查詢相關資料并且經(jīng)常聚在一起討論各個方案的可行性。在此次課程設計中，只有一個人知道原理是遠遠不夠的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤就有可能導致整個工作失敗。團結(jié)協(xié)作是我們成功的一項非常重要的保證。而這次設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。 在這個過程中，我也曾經(jīng)因為實踐經(jīng)驗的缺乏失落過，也曾經(jīng)因為仿真的成功而熱情高漲。生活就是這樣汗水預示著結(jié)果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。雖然這只是一次的極簡單的課程設計，可是平心而論，那也耗費了我們不少的心血，這就讓我不得不佩服那些專門搞電路設計的技術前輩們，才意識到老一輩對我們社會的付出，為了人們的生活更

16、美好，他們?yōu)槲覀兩鐣冻龆嗌傩难。?通過這次課程設計，我想說，為完成這次課程設計我們確實很辛苦，但是苦中仍有樂，和小組的其他成員一起探討的日子里，我們有說有笑，相互幫助，配合默契，多少人間歡樂就在這里灑下??！對我而言，在知識上的收獲重要，在精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學無止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶。六、參考文獻1陳堅趙玲編電力電子技術及應用電氣工程及其自動化專業(yè)函授專升本教材北京中國電力出版社2006.1 2曹豐文劉振來祁春清編

17、著電力電子技術基礎北京中國電力出版社2007.83湯建新馬皓編著電力電子技術實驗教程北京機械工業(yè)出版社2007.34莫正康主編電力電子應用技術第3版北京機械工業(yè)出版社2007.35嚴克寬張仲超編電氣工程和電力電子技術北京化學工業(yè)出版社2002.46王文郁石玉編電力電子技術應用電路北京機械工業(yè)出版社2001.8七、附錄 附錄1：附錄2：num=1.65*10(-6), 2.2;den=0.257*10(-6), 0.068*10(-3), 1;G0=tf(num,den)Margin(G0) 附錄3：附錄4：clc;clear;Vg=55;L=0.3421*10(-3);C=0.75*10(-3);fs=80*103;R=5;Vm=20.83;H=0.8333;Rc=0.1;G0=tf(C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm,L*C,L/R,1)figure(1);margin(G0);fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C)fg=(1/5)*fs;fz1=(1/2)*fp1fz2=(1/2)*fp1fp2=fsfp3=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp