buck變換器控制電路

12345總分基于單零單級點控制方式的12A開關電源PSIM仿真研究學院：延陵學院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：07電Y2姓名：許雙學號：07121130時間：2010年12月12日一、引言隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，要求開關電源具有更高的效率、可靠性、實用性。為了得到高性能的開關電源，本課題通過改進控制電路的控制方式，使開關電源更穩(wěn)定響應速度更快速。本文首先采用傳統(tǒng)方法對BUCK變換器的主電路參數(shù)進行了設計與器件的選擇，然后加入單零單級點補償網(wǎng)絡以提高電路的輸出精度和動態(tài)特性，得到了該變換器的最優(yōu)化模型。二、設計指標輸入直流電壓(VIN)：15V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：12A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準電壓(Vref)：1.5V；開關頻率(fs)：100kHz。[滯環(huán)控制為PFM方式，不受此限制]三、主電路參數(shù)計算（1）濾波電感和電容參數(shù)設計輸出紋波電壓只與電容的大小及有關：（1）雖然廠商很少給出電解電容的,但與的乘積趨于常數(shù)，約為。本例中取為。由式（1）可得，。根據(jù)基爾霍夫電壓方程，可知開關管S閉合與導通狀態(tài)輸入電壓和輸出電壓滿足如下關系：（2）（3）假設二極管的通態(tài)壓降V，電感中的電阻壓降V，開關管導通壓降，可得導通時間,將此值回代式（2），可得電感值為：為了保證電流的脈動小于2A，可將電感的值，適當放大些，可以取17.5圖3-1-1buck電路圖(2)用psim軟件參數(shù)掃描當時，輸出電壓和電流和輸出電壓紋波圖3-2-1、圖3-2-1圖3-2-1圖3-2-2如圖用psim軟件做參數(shù)掃描，當時，輸出電壓為5V,輸出電流為12A，輸出電壓紋波,所以理論分析和計算機仿真結果是一致的。四、采用小信號模型分析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：（4）假設PWM鋸齒波幅值為1.5，，，由此可得采樣網(wǎng)絡傳遞函數(shù)原始回路直流增益,。將以上值代入式（4），可得級點轉折頻率：零點轉折頻率：原始回路的傳遞函數(shù)所具有的相位裕度和穿越頻率如圖2-1所示。生成圖2-2所示的波特圖MATLAB程序如下：num=[0.00018753];den=[0.00000005250.0000421];figure(1);[mag,phase,w]=bode(num,den);margin(mag,phase,w);圖4-1原始回路的頻率特性五、補償網(wǎng)絡設計補償網(wǎng)絡采用如圖4-1所示的電路形式。圖5-1補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為：（5）式中；;如圖4-1所示，在低頻段時增益為9.54；在頻率為695Hz時會有轉折發(fā)生，其斜率為-40dB/dec。原始回路在穿越0dB線，相位裕量僅為。設加入補償網(wǎng)絡后，回路函數(shù)的增益交越頻率等于1/5的開關頻率，于是穿越頻率如果加入補償網(wǎng)絡后的回路增益函數(shù)以-20dB/dec斜率處通過0dB線，則變換器系統(tǒng)將有較好的相位裕量，為了得到-20dB/dec的斜率，補償網(wǎng)絡在穿越頻率處必須提供+20dB/dec的斜率。補償網(wǎng)絡的零點：補償網(wǎng)絡的極點：原始回路函數(shù)在的增益為則補償網(wǎng)絡在的增益為現(xiàn)在選用則，，。將以上參數(shù)代入式（5），可得：補償后的網(wǎng)絡傳遞函數(shù)補償網(wǎng)絡波特圖圖5-2從上述波特圖中可以看出穿越頻率為20kHz，相位裕度為55度低頻段增益比補償前增大了很多，并且以-20dB每十倍頻穿越0dB線，系統(tǒng)穩(wěn)定，達到了預期的矯正的目的。MATLAB程序如下：num1=[00.00018753];den1=[0.00000005250.0000421];g1=tf(num1,den1);num2=[034.14148438];den2=[0.0000039810];g2=tf(num2,den2);num3=conv(num1,num2);den3=conv(den1,den2);g3=tf(num3,den3);bode(g1,'*',g2,'--',g3,'-');六、總電路圖的設計（1）總電路圖的設計采用Psim軟件,psim是趨向于電力電子領域以及電機控制領域的仿真應用包軟件。具有仿真高速、用戶界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設計、電機驅動研究等有效提供強有力的仿真環(huán)境。圖6-1（2）總電路圖的仿真圖選用PSIM仿真軟件進行系統(tǒng)仿真，要求有突加、突卸80%負載和滿載時的負載特性圖6-2分析：根據(jù)仿真結果可看出，負載電流突加對電路輸出電壓影響很小，且可在很短時間就恢復穩(wěn)定。可見本次設計的電路的輸出精度和動態(tài)特性都符合要求。七、總結本次設計的主要目的是給buck電路設計一個補償網(wǎng)絡，提高開關電源的輸出精度和動態(tài)特性。通過本次設計我學會了最基本的主電路設計和補償網(wǎng)絡設計，掌握了一定的電力電子建模知識，也熟悉了幾種常用仿真軟件的使用。最大的收獲是在這次設計中我不斷地發(fā)現(xiàn)錯誤并一步步的改正錯誤的過程，在這個過程中我遇到過很多困難不過在和同學的共同探討中我們最終解決了一個個難題，對于實在不會的問題在老師的耐心指導下我也總算搞懂了，這次設計不僅提高了我的理論知識更提高了我的鉆研精神。參考文獻[1]徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005[2]徐德鴻沈旭楊成林周鄧燕譯.開關電源設計指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004[3]張衛(wèi)平等.開關變換器的建模與控制[M].北京:中國電力出版社