基于PI控制方式的5A开关电源的PSIM仿真

1、基于PI控制方式的5A开关电源PSIM仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：一、绪论随着电子技术的不断发展对电源的要求也不断的提高， 开环的电源应该说早就不能满足要 求，无论是在输出参数的精度还是抗干扰能力方面都比不上闭环控制系统。为了使某个控制对 象的输出电压保持恒定， 需要引入一个负反馈。 粗略的讲， 只要使用一个高增益的反相放大器， 就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入 电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节，这样 就使问题变得复杂了。要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的

2、稳态和动态要求， 这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD、比例-积分-微分（PID）等三种类型。 本文将通过PSIM用实例来研究PI控制器的调节作用。二、BUCK总电路设计Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck 族，现以Buck变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单电压环、 电流-电压双环设计控制环路。2.1技术指标输入直流电压（VIN） : 10V输出电压（V0） : 5V ；输出电流（IN） : 5A ；输出电压纹波（Vrr） : 50mV ；

3、基准电压（Vref）: 1.5V ；开关频率（fs）: 100kHz。2.2主电路参数计算Buck变换器主电路如图（1）所示，其中Rc为电容的等效电阻。kl -.XT图（1）(i)（1）滤波电容参数计算输出纹波电压只与电容 C的大小有关及Rc有关:RcViLVrr0.2In将V 50mv，In 5A带入得 Rc 0.05电解电容生产厂商很少给出ESR,而且ESR随着电容的容量和耐压变化很大，但是C与Rc的乘积趋于常数，约为5080 * F。本例中取为75 * F 贝U: C=1500y F。（2）滤波电感参数计算当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式（2）、（ 3）所示:L丄To

4、nVINVO VLVON(2)VoVlVdL 汁I OFF(3)假设二极管的通态压降 V 0.5V，电感中的电阻压降 V 0.5V，开关管的导通压降Von0.5V。又因为ToffTon1fs所以由式（2）、（ 3）、（ 4）联立可得Ton 6US，并将此值回代式 ，可得L=24uH（此处取 30uH）。（3）负载电阻计算VO 5V Rl 1In 5A2.3用Psim软件参数扫描法计算当L=10uH时，输出电压波形以及输出电感电流纹波如图（2）所示图（2）当L=24uH时，输出电压波形以及输出电感电流纹波如图（3）所示3D OD图（3）当L=45uH时，输出电压波形以及输出电感电流纹波如图（4）

5、所示T IEE【nisi图(4)采用Psim的参数扫描功能，由图可以看出，当L=10uH时调节时间短,当L=24uH时调节时间较短且，当L=45uH时调节时间较长。综合考虑选取 L=24uH,这与理论结果一致。三、补偿网络设计3.1原始系统的设计采用小信号模型分析方法得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为:den=0.0000000648 0.000024 1;gO=tf( nu m,de n);G(s)V in 1 sCR：1V?H(s)? lVm1 s-Rs1 2 *LC假设PWM锯齿波幅值为 Vm=1.5V，采样电阻Rx=3.5kohm,Ry=1.5kohm。采样网络的传递函数为:

6、Go(s)H(s)R R?11.50.310(1 1500 10 60.05s)624 10 s66 224 102700 10 s11.510 4sbode(g0);margi n( g0);mp) Miuras-6O-Bode DiagramGm = Inf, Pm = 32 5 deg (at 7.09&+003 radfaec)1C10FrequeTiw 伸們gG丄-图（5）如图所得，该系统相位裕度 32.3度，穿越频率为1.13kHz,所以该传递函数稳定性和快速 性均不好。需要加入补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度，增加系统的快速性和稳定性。3.2补偿网络相关参数计算采用如图（6）所

7、示的PI补偿网络。PI环节是将偏差的比例（P）、积分（I）环节经过线性组合 构成控制量。称为PI调节器。这种调节器由于引入了积分环节（I）所以在调节过程中，当输 入和负载变化迅速时，此环节基本没有作用，但由于积分环节的引入在经过足够长的时间可以 将系统调节到无差状态。采样电压为1.5V则取采样电阻R6、R7分别为3.5K和1.5K。如图所示我采用的是PSIM自带的PI调节器，查用户手册得到其传递函数为:TS 1Gc(s) K 百则系统总的传递函数为:5G (s)2.4k(7.5 10 s 1)( Ts 1)825(4.5 10 s 2.4 10 s 1)Ts(c)0 arctan cT arc

8、tan7.5其中14.5 10 8振荡阻尼系数52.4 1054.5 10-8设穿越频率为c，则系统的对数幅频特性为:fc=15khz，则穿越频率 c 2 fc 2 3.14 150009.42 104 rad/s。为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率 fc，一般穿越频率以小于1/5fs较为恰当。本次取2c将数据代入(c) 0 arctan cT arctan7.5 10-5 c -90 - arctann -90 得1-(丄)n4(c) arctan9.42 10 T 81.94 -180 -90相位裕度180( c) arctan9.42 1 04T-8.06般相位裕度为50554arc

9、tan9.42 10 T-188.06则 50arcta n9.42 104T-8.0655458.06 arctan9.42 10 T 63.061.6 9.42 104T 1.971.7 10-5 T 2.1 10-5取T 2.0 10-5,将K取不同的值在MATLAB上仿真得到k=20时较为理想则PI传递函数为：Gc(s)520(2.0 10 s 1)52.0 10 s绘制PI传递函数伯德图，程序如下:num=40e-5 20;de n=2e-5,0;g=tf( nu m,de n);margi n( g)图(7)则系统总的传递函数为：82OG7.2 10 S 4.56 10 S 48G

10、(S)9 10 13S3 6 10 10S2 2 10 5S通过 matlab 绘制系统伯德图，程序如下： num=0.000180 2.4; den=0.000000045 0.00003 1; g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=40e-5 20;den=2e-5,0;g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=0.00018 2.4; den=0.000000045 0.00003 1; f=tf(num,den);num1=40e-5 20;den1=2e-5 0;g=tf(num1,den1); num

11、2=conv(num,num1); den2=conv(den,den1); margin(num2,den2) 总系统伯德图如下图：由图可以看出矫正后的系统相位裕度 53.7 ，穿越频率为 14.7kHz， 系统的的快速性和稳定性都得到改 善。四、负载突加突卸4.1满载运行满载运行的电路图如图（6）所示，仿真结果如图（8）所示。2.00B004 0C10 000 00Tim*图（8）4.2突加突卸80%负载计算参数：0.2In 1AVo 5V1A 1A5 Rn 1Rn 1.25负载突加突卸电路图如图（9）图（9）仿真结果如图（10）所示5.00图（10）由仿真图可以看出系统具有较好的抗负载扰

12、动能力。4.3电源扰动为系统电源加上20%勺变化扰动，即电源电压变为8和12,电源电压波形如图（11）所示图（11）电源扰动仿真结果如图（12）所示7 2 ：i图（12）由仿真图的扰动波形可以看出系统具有较好的抗电源扰动的能力，符合设计要求。五、负载扰动仿真结果如图（13）所示：01m2 m3m斗m5m6m负载扰动7.S : ：(V)蛊二 A)ta曲负载扰动5.212.5m2 9m34m3&m4.2m4 7mSimn- 9 B54.4.置)出曲图（13）由PI调节的仿真结果和双零点双积点调节的仿真结果不难看出如下结论：（1）PI调节的超调量比双零点双积点调节方式要大（2）PI调节的调节时间比双零点双积点调节方式要小，快速性好（3） PI调节的抗扰动能力比双零点双积点调节方式要差，且PI扰动恢复时间较长六、小结本次电源设计在BUCK电路原理的基础上建立了小信号等效电路模型，并通过对PI控制器 的设计，以及使用 MATALAB口 PSIM对电路进行仿真，基本实现了预定的目标，并通过负载突 加突卸对电路的抗干扰性进行了验证。完成了这次研究论文我对BUCKI路有了更为深刻的认识，可以较为熟练的使用PSIM软件 对电路进行仿真研究，对 MATALA也有了一定的了解，可以通过它来