BUCK变换器设计.docx

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1、BUCK变换器设计 BUCK变换器设计报告 一、BUCK变换器原理 降压变换器（Buck Converter）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源。 二、BUCK主电路参数计算及器件选择 1、BUCK变换器的设计方法 利用MATLAB和PSPICE对设计电路进行设计，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，再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计，比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等，选取 性能优良的模型进行电路搭建。 2、主电路的设计指标 输入

2、电压：标称直流48V，范围4353V 输出电压：直流24V，5A 输出电压纹波：100mV 电流纹波：0.25A 开关频率：250kHz 相位裕量：60 幅值裕量：10dB 3、BUCK主电路 主电路的相关参数： 1=410-6s 开关周期：T S= s f 占空比：当输入电压为43V时，D max=0.55814 当输入电压为53V时，D min=0.45283 输出电压：V O =24V 输出电流I O =5A 纹波电流：i L =0.25A 纹波电压：V L =100mV 电感量计算：由i L = 2L v -V o max -in DT S 得： L=L o max -in i 2v

3、-V D min T S=25 .022453?-0.4528410-6=1.0510-4H 电容量计算：由V L =C i L 8T S 得： C=L L V 8i T S =1 .0825 .0?410-6=1.2510-6F 而实际中，考虑到能量存储以及输入和负载变化的影响，C 的取值一般要大于该计算值，故取值为120F 。 实际中，电解电容一般都具有等效串联电阻，因此在选择的过程中要注意此电阻的大小对系统性能的影响。通常钽电容的ESR 在100毫欧姆以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR 甚至高达数欧。ESR 的高低与电容的容量、电压、频率和温度等多因素有关，一般对于等

4、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。此处取R ESR =50m 。 4、主电路的开环传递函数 in ESR ESR V sC R R sL sC R R s d ) 1/() 1 /()(s V s G O vd +=）（）（ ) (s )1(C 1)1(s G 2 vd C R R L R R L s V C sR ESR ESR in ESR +=）（ in 0 2 V Q s s 11)(G 2 + + = z vd s s ESR z CR 1 = ）（R R 1LC 1ESR 0+ = ）（C R R L 1 Q ESR 0+= 取R ESR =50m ，

5、R=4.8，C=120F ，L=105H ，V in =48V ， 可得传递函数为： 1107875.21027313.148 1088.2)(G 5 284 vd +?+?+?=-s s s s 在MATLAB 中根据开环传递函数画出Bode 图： clear num0=2.88e-4,48; den1=1.27313e-8,2.7875e-5,1; bode(num0,den1) kg,gm,wkg,wgm=margin(num0,den1) grid 相角裕量23.0483，显然不符合设计要求，考虑对其增添闭环控制回路进行校正。 5、主电路的PSIM仿真 电路如下： 电流I1波形如下：

6、电压V1波形如下： 三、BUCK变换器控制框图 BUCK变换器的控制器主要有电压型控制和电流型控制，其各自电路图如下所示 电压型： 电流型： 电压型控制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。其输出经过补偿在经过PWM，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，达到闭环控制的目的；电流型控制用通过功率开关的电流波形替代普通PWM 的载波信号，每个开关周期之初，由时钟脉冲置位RS触发器，于是Q1导通，之后i L逐渐增加，当i L大于调制信号时，比较器翻转并复位RS触发器，Q1关断。综合考虑难易程度

7、和功能特性，本设计采用电压型控制电路。 采用电压型控制电路的BUCK转换器原理框图如下所示： G vd （s ）为开环增益，Gc （s ）G PWM 为调节器，H 为反馈因子。 则该框图的闭环增益为：PWM vd G )()s (H )s (G T s G c 三、K-因子法设计控制器 调节器类型有三种： PID 调节器性能最佳。搭建好闭环电路，确定串联PID 校正环节，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，这一工作可采用K-因子法完成，K-因子法设计步骤是： 确定新的剪切频率； 确定校正前处的相角和校正后的相位裕量，计算需要的相 位超前量。计算公式为?-=90-c

8、 c b ? 基于确定K 值，PID 调节器公式为： ）（K 1 tan -K tan 21 1b -=? ）（ 4 4 tan K b ?+ 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。公式为： )(1G K 321b c C C R += 12121 f C R f K c p = = 3 2323 2C 21 f C C C R f K c p += = )(21f 2111Z R R C K f c += = 33c Z221K f f C R = = 校正环节传递函数如下为： ) 21)(21() 21)(21()(G 212 1c p p Z Z c b f s f

9、s f s f s s K G s += 取15.5kHz f c = ?=163c ? 1138.23K = 计算得 =5500R 1 =7196.248R 2 =5964.27393R 3 nF 5873.8C 1= nF 101493.8C 22-?= nF 8021.1C 3= 校正环节传递函数为 2 2 c )07 .4682171()04.202571(1138.2386.2231063)(G s s s s += 四、MATLAB SISOTOOL 利用以上求得的数据，用MATLAB 的SISOTOOL 工具箱可以画出加入补偿器后的传递函数BODE 图如下 幅值裕量、相角裕量均满足设计要求