BUCK开关电源的应用

1、目录第 1 章 课题背景 1. .1.1 BUCK 电路的工作原理 1.1.2 BUCK开关电源的应用 1.第 2 章 课题设计要求 1. .第 3 章 课题设计方案 1. .3.1 参数 1. .3.2 系统的组成 2. .3.3 主电路部分的设计 2.3.3.1 滤波电感的计算 3.3.3.2 滤波电容的计算 3.3.4 开环系统的分析 3.3.4.1 开环原始传递函数的计算 3.3.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图 43.5 闭环系统的设计 4.3.6 双极点双零点补偿控制器的设计 5.3.6.1 补偿网络电路的原理分析 5.3.6.2 补偿器伯德图 7.3.6.3 加

2、入补偿器后系统伯德图分析 8.3.7 闭环系统的仿真 9.3.7.1 电路模块的添加 9.3.7.2 仿真电路参数的设置 9.3.7.3 仿真结果 1.0第 4 章 总结心得 1.0.第 5 章 参考文献 11第 6 章 附录 11第1章 课题背景1.1 BUCK电路的工作原理BUCK开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源，转换成满足设备要求 的质量较高的直流电压。1.2 BUCK开关电源的应用开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、 军工设备、科研设备、 LED照明、 工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空 气净化器，电子冰箱，液晶显示器， LED灯具，通讯设备

3、，视听产品，安防监控， LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。它巨大的作用决定了对它研究 的意义。第 2章 课题设计要求1. 根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，完成开关电路的设计2. 根据设计步骤和公式，设计双极点 - 双零点补偿网络，完成闭环系统的设计3. 采用 MATLAB中 simulink 中 simpowersystems 模型库搭建开环闭环降压式变 换器的仿真模型4. 观察并记录系统在额定负载以及突加、 突卸 80%额定负载时的输出电压和负 载电流的波形第 3章 课题设计方案3.1 参数图3-1 Buck 变换器主电路图1、输入直流电压 （VIN） ：32V。2、

4、输出电压 （VO）：18V 。3、负载电阻： 3 。4、输出电压纹波峰 - 峰值Vpp50mV ，电感电流脉动：输出电流的 10%。5、开关频率 （fs） ：80kHz。6、BUCK主电路二极管的通态压降 VD=0.5V，电感中的电阻压降 VL=0.1V，开 关管导通压降 VON=0.5V,滤波电容 C与电解电容 RC的乘积为 75u * F 。7、采用压控开关 S2实现 80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲 信号幅值为 1，周期为0.012S，占空比为 2%，相位延迟 0.006S。当 s导通时有： Vin Vo Vll Von L di （ diLI ）（1）dtdt ton当

5、 s关断时有： L I Vo Vll VD（2）toff1t 与 fs 的关系： ton toff（3）fs3.2 系统的组成整个BUCK电路包括Gc（S）为补偿器， Gm（S）PWM控制器， Gvd（S）开环传递 函数和H（S） 反馈网络。采样电压与参考电压 Vref 比较产生的偏差通过补偿器校 正后来调节 PWM控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压 Uo做成 相应调整来消除偏差。系统传函框图： 3-2 。图 3-2 系统传函框图3.3 主电路部分的设计3.3.1 滤波电感的计算由公式 Rc Vrr ，其中 I L 0.1I N（ 4）ILI N Vo ，其中 Vo 18v ，

6、R=3（5）RC Rc 75u F（ 6）1设计要求中 Vrr 50mv ，求得Rc，C 9*10 4F 。123.3.2 滤波电容的计算由前面的公式（1），（2），（3）及一些参数 VIN 32v ，VO 18v ，VL 0.5v ，VOn 0.5v ， VD 0.5v 。 算 得 ： ton 7.27 * 10 6s ， toff 5.23*10 6s ，L 1.62 * 10 4H 。3.4 开环系统的分析3.4.1 开环原始传递函数的计算采用小信号模型分析方法可得 Buck变换器原始回路增益函数GO（s） 为：7）8）其中 Vm Vref ，Vrefr Vo *Rx Ry其中 Rx ，

7、 Ry是分压电阻，它们的取值是不固定的，但是他们的单位要是级的，这样整个电路的误差会小。此次设计RRxy 81 ，它们的单位是 KH(s) R Ry RRx Ry9）将数据代入公式（ 7），得18G0(s) 12 8132 (1 9*10 1 s)121 s1.62 10 4 s2 1.62 10 4 9 10 431.33 10 4s 1.781.458 10 7s2 5.4 10 5s 13.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图将G0(s) 的表达式输入到 MATLA软B件中，可以得到如图 3-3所示的伯德图，由图可知 Pm =25.6deg 。相角裕度过低。需要添加有源超前

8、滞后补偿网络校正。图 3-3 开环原始传递函数的伯德图3.5 闭环系统的设计图 3-4 闭环系统结构框图图3-4中包含输入电源，滤波电感，滤波电容，负载，脉冲信号，续流二极 管，参考电压以及一些传递函数。3.6 双极点双零点补偿控制器的设计3.6.1 补偿网络电路的原理分析图3-5 有源超前 - 滞后补偿网络电气图图3-5中的有源超前 - 滞后补偿网络电路由一些电阻和电容的串并联组成，通 过数电与模电的知识可以得到它的传递函数表达式： Gc (s)Gc(s)(1 sR2C1)1 s(R1 R3)C310)sR1(C1 C 2 )(1 s R2C1C2 )(1 sR3C3)C1 C2有源超前 -

9、 滞后补偿网络有两个零点、三个极点。p1,p22 LC416.51Hz2 3.14 1.62 10 4 9 10 4fZOZ1Z2p2p312 RcC 2 3.14 1 9 10 4122131.67Hz0.75f po 0.75 416.51 312.38HzpoZO零点为：Z1Z2极点为：416.51Hz2131.67Hz80 40kHz21 312.382 R2C11 416.512 (R1 R3)C3 2 R1C3f p1 为原点p22 R3C3p3R2C1C2C1 C2R2 频率 fz1与 fz2 之间的增益可近似为 : AV1 R2R1在频率 fp2与fp3之间的增益则可近似为：

10、AV2 R2 R1 R3R2R1 R3R311）12）13）14）（15）（16）（17）18）19）（20）（21）（22）考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取（ fs 为开关频率）：f s 80f gs16kHzg55开环传函 Go s 的极点频率为：(23)12 3.14 1.624 10 4 9 10 4416.51Hz(24)1将Gc s两个零点的频率设计为开环传函 Go s两个相近极点频率的 1，则11 f Z1 f Z 2f p1,p2416.51 208.26Hz (25)22将补偿网络 Gc s 两个极点设为 fp2 fp3 fs 80kHz ,以减小输出的高频 开

11、关纹波。fZ 2R2AV1Z2 Gc(j2 f g)2 (26)f gR1f p2R2AV2Gc( j2 fg )(27)f gR3根据已知条件使用 MATLAB程序算得校正器 Gc(s)各元件的值如下(程序 见附录)，取 R2=10000欧姆：AV1 =1.4259 ； AV2 =548.0150 ； R3 =18.2477 ； C1 =7.6462e-008 ；C3 =1.0902e-007 ；C2 =1.9894e-010 ； R1=7.0133e+003。通过公式( 10)得出 Gc(s) ：25.862e 007s2 0.001531s 1Gc(s)= 3 22.122e 015s3

12、 2.136e 009s2 0.0005736s3.6.2 补偿器伯德图图 3-6 补偿器伯德图3.6.3 加入补偿器后系统伯德图分析8图 3-7 加入补偿器后系统的伯德图由图可知，在加入补偿器之后的pm =152deg, 它远远大于未补偿之前的Pm =25.6deg，相角裕度增加，达到设计的要求。3.7 闭环系统的仿真3.7.1 电路模块的添加在MATLA软B件中，点击 Simulink, 新建一个.mdl的文件，然后按照仿真电路 图向其中添加相应的模块。本次的课程设计所需的模块大多数都在 SimpowerSystem中 ， 如 power,Mosfet,L,Relay,Rc,C,Pulse

13、Generator,IdealSwitch,R,Voltage Measurement,Scope,Transport delay,gelding,Transfer Fcn,Saturation,3.7.2 仿真电路参数的设置 输入的直流电压为 18V。 采用压控开关 S2实现 80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲 信号幅值为 1，周期为0.012S，占空比为 2%，相位延迟 0.006S。 设置仿真时间为 0.04s ，采用 ode23s算法，可变步长。 设置传输延迟 (Transport Delay) 的时间延迟 (Time Delay) 为0.006 ，积 分 (Integr

14、ator) 的饱和度上限 (Upper saturation limit)为 0.8349 ，下限为0.832 ，绝对误差 (Absolute tolerance) 为0.000001，PWM的载波为80kHz，幅值 为14.4V的锯齿波。3.7.3 仿真结果图 3-8 未加干扰仿真图图 3-9 加干扰仿真图第 4章 总结心得通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识 也更加深入，在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验10 心得。本课程设计是在韩霞老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到最终的完成，韩老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，让我们

15、获益 菲浅，并且将终生受用无穷。在此对钱老师表示最衷心的感谢！第 5 章 参考文献1 电力电子技术 王兆安 机械工业出版社2 开关电源技术教程 张占松 机械工业出版社3 电源的计算机仿真技术 陆治国 科学出版社4 电力电子技术计算机仿真实验 李传琦 电子工业出版社5 电力电子应用技术的 MATlab仿真 杜飞 中国电力出版社6 电力电子技术的 MATLA实B 践 黄忠霖 国防工业出版社7 电力电子系统建模及控制 徐德洪 机械工业出版社第 6章 附录附录1 MATLAB所用程序：clc;clear;Vg=32;L=1.624*10(-4);C=9*10(-4);fs=80*103;R=3;Vm=14.4;H=0.8;Rc=0.083;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)*fp1;fz2=(1/2)*fp1;fp2=fs;fp3=fs;marg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp2/fg*marg_GR2=10*103;R3=R2/AV211C1=1/(