BUCK變換器設計

1、BUCJ變換器設計報告、BUCI變換器原理降壓變換器Buck Converter就是將直流輸入電壓變換成 相對低的平均直流輸出電壓。 它的特點是輸出電壓比輸入的電壓 低，但輸出電流比輸入電流高。它主要用于直流穩(wěn)壓電源。BUCI主電路參數(shù)計算及器件選擇1、BUCK變換器的設計方法利用MATLAB PSPICE對設計電路進行設計，根據(jù)設計指標 選取適宜的主電路及主電路元件參數(shù)，建立仿真模型，并進行變換器開環(huán)性能的仿真，再選取適宜的閉環(huán)控制器進行閉環(huán)控制系 統(tǒng)的設計，比較開環(huán)閉環(huán)仿真模型的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等，選取 性能優(yōu)良的模型進行電路搭建。2、主電路的設計指標輸入電壓：標稱直流 48V,范圍435

2、3V輸出電壓：直流24V, 5A輸出電壓紋波：100mV開關(guān)頻率：250kHz相位裕量：60°幅值裕量：10dB3、BUCK主 電路fiE主電路的相關(guān)參數(shù)：開關(guān)周期：Ts=1=4X 106 sfs占空比：當輸入電壓為43V時，Dmax當輸入電壓為53V時，Dmin輸出電壓：Vo=24V輸出電流lo=5A紋波電流：Ai紋波電壓：V=100mV電感量計算：由L=Vin-max-v°DTs得：2LL= Vin-max-VoDminTs= 53 24 X 0.4528 X 4X 10-6=1.05 X 10-4H2A iL2 0.25電容量計算：由 AV= Ts得：8CC=半Ts=

3、 X 4 X 10-6=1.25 X 10-6F Vl 8 0.1而實際中，考慮到能量存儲以及輸入和負載變化的影響，C的取值一般要大于該計算值，故取值為120 u F。實際中，電解電容一般都具有等效串聯(lián)電阻，因此在選擇的過程中要注意此電阻的大小對系統(tǒng)性能的影響。通常鉭電容的 ESR在100毫歐姆以下，而鋁電解電容那么高于這個數(shù)值，有些 種類電容的ESR甚至高達數(shù)歐。ESR的上下與電容的容量、電 壓、頻率和溫度等多因素有關(guān)，一般對于等效串聯(lián)電阻過大的電 容，我們可以采用電容并聯(lián)的方法減小此串聯(lián)電阻。此處取RESR=50m Qo4、主電路的開環(huán)傳遞函數(shù)Gvd ( S)Vo ( s)d(s)R /(

4、 ResrsC)sLR/( ResrsC)VinGvd (s)(sReSrC 1)Vin1 s2LC(1 -ReSR) s(- ResrC)r rG vd ( s)V in1zCResrResr)R1L Resr) RC取 RESF=50mQQ, C=120y F, L=105y H, Vin =48V,可得傳遞函數(shù)為：Gvd (s)2.88 10 4s 481.27313 10 8s2 2.7875 10 5s 1在MATLAB中根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)畫出 Bode圖: >> clear >> num0=2.88e-4,48;>> den仁1.27313e-8,

5、2.7875&5,1;>> bode( num O,de n1) >> kg,gm,wkg,wgm=margi n(num O,de n1) >> gridkE -Infvkg =Na!Jwgta -6a4Lf4e-H)4»1O1105105Frequency (rad/s)Boce Diagram相角裕量23.0483,顯然不符合設計要求，考慮對其增添閉環(huán)控 制回路進行校正。5、主電路的PSIM仿真電路如下：MQSFET電流11波形如下:a:4 K =fl 0D2'0.K電壓V1波形如下:三、BUCK變換器控制框圖BUCK變換器的

6、控制器主要有電壓型控制和電流型控制，其各自電路圖如下所示 電壓型:電壓型控制原理是將開環(huán)電路的輸出電壓進行米樣，米樣信號H s與基準電壓VREF輸送到誤差放大器，Gs設計的 有源串聯(lián)校正PID環(huán)節(jié)。其輸出經(jīng)過補償在經(jīng)過 PWM，調(diào)制后 的信號控制開關(guān) Q的通斷，以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定，到達 閉環(huán)控制的目的；電流型控制用通過功率開關(guān)的電流波形替代普 通PWM的載波信號，每個開關(guān)周期之初，由時鐘脈沖置位RS觸發(fā)器，于是Q1導通，之后iL逐漸增加，當iL大于調(diào)制信號時， 比較器翻轉(zhuǎn)并復位RS觸發(fā)器，Q1關(guān)斷。綜合考慮難易程度和 功能特性，本設計采用電壓型控制電路。采用電壓型控制電路的 BUCK轉(zhuǎn)換

7、器原理框圖如下所示：Gds為開環(huán)增益，Gc sx Gwm為調(diào)節(jié)器，H為反響因子。那么該框圖的閉環(huán)增益為：T Gvd(s)H(s)Gc(s)GpwM三、K-因子法設計控制器PID調(diào)節(jié)器性能最正確。搭建好閉環(huán)電路，確定串聯(lián)PID校正環(huán)節(jié)，確定新的開環(huán)剪切頻率和相位裕量，確定控制回路中各個電阻電容的取值，這一工作可采用K-因子法完成，K-因子法設計步驟是：確定新的剪切頻率; 確定校正前處的相角和校正后的相位裕量，計算需要的相位超前量。計算公式為bc'- c 90 基于確定K值，PID調(diào)節(jié)器公式為:2( tan K - tan7Ktan (4 基于K-因子確定補償器的零點、極點位置，并計算調(diào)節(jié)

8、器參數(shù)。公式為：K 1cGb Rl(C 2 C 3)f plJk fc12 R2C1fp2X K fcR3C 2C3C2 C3fz1c12 C1(R1 R2)fZ2fc1VK2 R3C3 校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如下為:Gc(s)Gb(1c2 fz1)(1K s (1 rV(1 總計算得R15500R2248.7196R327393.5964C18.5873nFC28.1493 10 2 nFC31.8021 nF校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為取 fc 15.5kHz163 K 231138Gc(s)223106386 (123.1138s(1s20257.04468217.07)四、MATLAB SISOTOOL利用以上求得的數(shù)據(jù)，用MATLAB勺SISOTOOIX具箱可以畫 出參加補償器后的傳遞函數(shù) BODE圖如下幅值裕量、相角裕量均滿足設計要求*<she-Ek# E4IP tr * LW 曙U：rtjt-irl-gunLiB五、PSIM仿真