BUCK变换器设计报告.docx

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1、BUCK变换器设计报告 BUCK变换器设计报告 一、BUCK主电路参数计算及器件选择 1、BUCK变换器设计方法 利用计算机设计BUCK变换器，首先要选取合适的仿真软件。本文采用MATLAB和PSIM设计软件进行BUCK变换器的综合设计。在选取好设计软件之后，先根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真。如果开环仿真结果不能满足设计要求，再考虑选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计。 设计好闭环控制器后，对其进行闭环函数的仿真，选取超调小、调节时间快的闭环控制器搭建模型进行电路仿真。 2、主电路的设计 根据设计指标，采用BUCK电路作为主电路，使

2、用MOSFET元件作为开关元件，这是因为MOSFET的开关速度快，工作频率高，可以满足250khz的开关频率，此外，MOSFET与其他开关器件最显著的不同，是MOSFET具有正温度系数，热稳定性好，可以并联使用，其他开关器件不具有此特性。 （1）BUCK电路的主电路的拓扑图： （2）主电路的基本参数计算: 开关周期：Ts=1/f s=4?10?6s =0.5 占空比(不考虑器件管压降)：D=v0 v in =0.5581 V in=43V时，Dmax=v0 v in =0.4528 V in=53V时，Dmin=v0 v in 输出电压：V o=24V； 输出电流：Io=0.25A; 额定负载

3、：R=V oIo=4.8 纹波电流：I=0.25A； 纹波电压：V=100mV 电感量理论值计算： 由： ， 得： ，电容量理论值计算： 由：，得 考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故取C=120uF. 由于电解电容一般都具有等效串联电阻R esr,因此在选择的过程中需要注意此电阻的大小对系统性能的影响。一般对于等效串联电阻过大的电容，我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。取R esr=50m。 （3）主电路开环性能测试 现通过Matlab对系统开环传递函数进行仿真。 A、首先计算系统开环传递函数如下： 对主电路进行Laplace变换可得到系统在复频域下的传递函数： ，

4、， B、编制MZTLAB程序，由MATLAB计算主回路的传递函数，画出bode图。 1）取Resr=50m,Rload=4.8,得传递函数：Gvd(s)= (0.000144 s + 24)/（1.273e-008 s2 + 2.788e-005 s+1 ） 2)开环传递函数的Bode图 由上图可得，系统的剪切频率为7kHz，其相位裕量为17.760,相位裕度不足。显然不满足设计要求。 C、主电路的PSIM仿真 电压波形： 电流波形： 由上图可知，电压和电流的超调量都很大，调节时间长。 因此需要对系统进行源矫正，使系统相位裕量增大，减小超调和震荡，缩短调节时间。 二、控制器的设计 (1)BUC

5、K变换器的控制方框图及原理： BUCK降压变换电路的控制器主要有电压型控制和电流型控制。其中电压型控制的原理是:将开环电路的输出电压进行采样，采样信号H（s）与基准电压Vref 输送到误差放大器，G(s)设计的有源串联校正PID环节。其输出经过补偿再经PWM脉宽调制，调制后的信号控制开关Q的通断，以此来控制输出电压的稳定，从而达到闭环控制的目的。而电流型控制设计较为复杂，所以用电压型控制进行下一步的设计。下图为电压型控制的原理框图。 引入反馈后，构成闭环控制。 Gvd(s)开环增益，Gc(s)*Gpwm调节器，H(s)反馈因子Gvd， 由此 T=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)*Gpwm回路

6、增益（闭环增益）得到回路增益（闭环增益）： 根据闭环控制框图和电压型控制器的电路可在PSIM中搭建闭环控制仿真图如下: 负载两端电压VP1仿真结果： 待稳定后，放大局部，得到下图结果： 由图分析，加入反馈后，超调量明显减小，调节时间明显缩短。但输出电压并不是在24V左右波动。因此，接下来，需要设计调节器进行校正。 三、K-因子法设计调节器 （1）调节器的选用。 为取得好的校正效果，选用PID调节器。 闭环电路搭建好后，接下来的工作便是确定串联PID校正环节，即确定新的开环剪切频率和相位裕量，确定控制回路中各个电阻电容的取值。 控制校正环节的设计有很多方法。可以用K因子法作为基础，使用Matla

7、b自带工具箱SISOTOOL进行闭环系统的校正。 . （2）K-因子法设计步骤 K因子校正的方法主要有以下几步： a、首先确定新的剪切频率f c。 b、确定校正前f c处的相角c和校正后的相位裕量 ,计算需要的相位超前 c 量。计算公式 . c、基于s确定K值，公式如下（类型三）： , d、基于K-因子确定补偿器的零点、极点位置，并计算调节器参数。计算公式如下： , , e、校正环节传递函数如下： （3）控制器参数选择及计算 采用类型三的PID环节进行校正。为保证系统不受高频信号的干扰，选取的截止频率须在开关频率的一半以下，为了让其抗噪声能力提高，一般截止频率取在开关频率的1/41/5处。同时

8、，为了保证幅值裕量，还需对校正的结果进行仿真，观察其幅值裕量是否能够满足要求。经多次实验，选取截止频率为10kHZ 左右便可满足调节时间纹波的要求。参数计算如下： f c=10.11kHz c= -， =76 , b=143 c K=37.702 控制器电容电压参数： 令R1=R bias=5K,得：R2=136.2308， C1=18.826uF,C2=1.532nF,R3=1.7197K,C3=56.228nF (4)环性能分析 利用以上求得的数据，用Matlab的SISOTOOL工具箱可画出加入补偿器后的传递函数BODE图如下： 由bode图可得系统的开环剪切频率和相位裕量均满足要求，幅

9、值裕量为无穷大，也满足要求。该校正的主要缺点是截止频率偏低，致使在主回路大电容情况下的响应速度略慢。 系统闭环阶跃响应曲线如下： 由Bode图可知，系统闭环阶跃响应的调节时间约为0.4ms，有少量的超调。 (5)闭环性能的仿真 用PSIM软件所做的加入补偿器后的仿真电路如下图所示： 电压仿真结果如下图所示（直流48V电压输入） 超调量太大，峰值电压在47V左右，要对K因子算出的结果进行修正。四、补偿环节G c(s)的修正应用MATLAB SISOTOOL 设计方法如下： （1）先将K因子法补偿的零极点加入到开环传递函数中并在SISOTOOL中绘制Bode图。 （2）拖动零、极点位置将重合的零、

10、极点分离。打开系统闭环阶跃响应实时仿真图。 （3）拖动Bode图上零、极点或进入面板修改各个极点的位置，观察阶跃响应曲线，直到达到补偿目标。此时进入SISOTOOL面板中记录校正环节传递函数 （4）利用同K因子法相同的计算公式计算电容电阻的参数。 根据以上设计方法，将K因子法的补偿结果导入SISOTOOL中，得到Bode 图如下。 将加入的两个零点的频率适当减小并分离，以提高开环传递函数在震荡极点处的相位裕量。同时，将两个极点向更高频次的范围内扩展并分开，通过改变增益，适当提高截止频率，减小调节时间。按照上述方法，在sisotool的bode图中调节零极点和曲线位置，找到合适的闭环阶跃响应，如下图所示。