BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 25V5V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电力电子题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 25V/5V指导教师： 职称： 讲 师课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-25V/5V课 题 内 容 及 指 标 要 求课题内容：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

2、的输出电压和负载电流的波形指标要求：1、输入直流电压(VIN)：25V，输出电压(VO)：5V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=1，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz3、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75*F4、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进程安排第1天 阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法第2天 根据设计原理计算相关主要

3、元件参数以及完成BUCK开关电源系统的设计第3天 熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型第4天 仿真调试，记录要求测量波形第5天 撰写课程设计说明书起止日期2016年6月20日-2016年6月24日 2016年6月17日目录第一章 课题背景41.1 BUCK电路的工作原理41.2 BUCK开关电源的应用7第二章 课题设计要求82.1课题内容：8第三章 课题设计方案93.1主电路部分的设计93.2闭环系统的设计103.3闭环系统仿真14第四章 总结及心得体会15第五章 参考文献16第六章 附录1616第一章 课题背景1.1 BUCK电路的工作原理BUCK电路基本结构如下图;图1-1 基

4、本电路结构及开关导通时等效电路 开关关断时等效电路图1-2 等效电路模型（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤  波器设计 的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上输出的直流电压Uo有: 电容上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似

5、原理。（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则

6、一个开关周期内电感上磁链增量为： 此增量将产生一个平均感应电势: 此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析如下；图1-3 BUCK电路结构图1-4 开关导通和关段时等效电路a、 晶体管导通状态VD关段，依据等效电路拓扑，有： (1-4)由于电路工作频率很高，一个周期内输入和输出电压基本维持不变，可以视为恒定

7、值，那么输入和输出的差值为常数，电流变化为线性，波形如图所示； (1-5) (1-6) (1-7)b、 二极管VD导通模式晶体管关段，电感续流，二极管导通，依据电路等效拓扑有： (1-8)同样，由于输出电压视为维持不变，则输出电流线性减小，波形如图所示；有： (1-9) (1-10)图1-5 BUCK电路各点波形1.2 BUCK开关电源的应用开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、簿的关键技术是高频化，因此，国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型智能化的元器件，特别是该变二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（MnZn）材料上加大科技创新，以提高在高

8、频和较大磁通密度（Bs）下获得高磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。模块化是开关电源发展的总体趋式，可以采用模块化电源组分布式电元源系统，可以设计成N+I亢余电源系统，并实现联系方式的容量扩展。而采用部分谐板转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术应用问题，故仍需在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量工作，以使得该项技术得以应用。现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。可以说，凡是用电

9、的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天电源、UPS电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等，都要使用高频开关电源。它的应用面之广、应用数量之大是任何电力电子电源都无法比拟的。由于高频开关电源的应用面最广、应用的数量多，因而从事高频开关电源研发的工程科技人员也是最多的。第二章 课题设计要求2.1课题内容：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si

10、mpowersystems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2.2指标要求：1、 输入直流电压(VIN)：25V，输出电压(VO)：5V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV2、 负载电阻：R=1，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz3、 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75*F4、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

11、.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S。第三章 课题设计方案3.1主电路部分的设计1、电容等效电阻RC和滤波电感C的计算Buck变换器主电路如图下所示，其中RC为电容的等效电阻(ESR)。图3-1 Buck变换器主电路图输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关， ohm （3-1） (3-2)电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为5080*F。设计中取为75*F。 (3-3)2、滤波电感L的计算S开通：（） (3-4)S关断： (3-5)最终得到3.2闭环系统的设计1、闭环系统结构框图图3-2 闭环系统框图整个BUCK电路包括Gc(S)为补偿器，Gm（S）PWM

12、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。系统传函框图如下所示；图3-3 传递函数框图2、BUCK变换器原始回路传函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： 其中为锯齿波PWM环节传递函数，近似成比例环节，为锯齿波幅值Vm的倒数。为采样网络传递函数，Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻，为开环传递函数。将,H(S),=25V,C=750,Rc，L=124.43uH，R=1代入传函表达式，得到：用Matl

13、ab绘制Bode图，所用matlab程序：num=0.375，5den=9.316*10-8，1.242*10-4,1G0 =tf(num,den)Margin(G0)Transfer function: 1.875e-005 s + 2.5-9.322e-009 s2 + 1.243e-005 s + 10图3-4 Bode图由于相角裕度过低，需要添加有源超前滞后补偿网络校正。3、补偿器的传函设计图3-5 有源超前-滞后补补偿器的传递函数设计补偿器的传递函数为：有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为：，极点为：为原点，频率与之间的增益可近似为：在频率与之间的增益则可近似为：考虑达

14、到抑制输出开关纹路波的目的，增益交接频率取：开环传递函数的极点频率为：将两个零点的频率设计为开环传递函数两个相似极点频率的，则将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。先将取值，根据公式可推出：计算过程通过Matlab变成完成。根据闭环传递函数，绘制伯德图，得到相角裕度。如下图所示；图3-6 Bode图1图3-7 Bode图2先将R2任意取一值，然后根据公式可推算出R1，R3，C1，C2，C3，进而可得到Gc（S），根据Gc (S) 确定Kp，ki,kd的值。依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：G(s)=GO(s)Gc (s)计算过程可通过Matlab编程完成。根据闭环传函，

15、绘制波德图，得到相角裕度，验证是否满足设计要求。（参考程序见附录）3.3闭环系统仿真(1) 用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图（不含干扰负载）图3-8 Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图(2) 对闭环系统进行仿真（不含干扰负载），使参数符合控制要求），并记录波形。经过调试，设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.0002，积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为1.5，下限为1.3，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为1

16、00kHz，幅值为1.5V的锯齿波。(4) 设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。(5) 系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。其中采用压控开关S2实现负载的突加、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20%，相位延迟0.006S。图3-9 输出电压和负载电流的波形图3-10 局部放大图第四章 总结及心得体会通过这次的电力电子课程设计，我对这学期所学的知识有了进一步的了解，比如BUCK电路的工作原理；滤波电感及滤波电容公式的推算；MATLAB软件的使用，电路仿真时参数的调节等以及画原理电路图时的整体布局。在这一次的课程设计不

17、但充分结合了电力电子所学的知识，将这些知识进行了综合运用，而且还把我这一学期所听到的，见到的关于电力电子方面的知识应用到了其中。通过这学期的学习，使我对电力电子的内容有一个总体了解，对它在各个领域的应用上升到了一个新的高度。这些将对以后走上工作岗位，从事有关电力电子的工作有着重要的作用，同时也为我以后学习其他的知识打下了坚实的基础。在这次的课程设计过程中也遇到了一些问题，比如在绘制电路图过程中有些命令不会使用；在计算时有些公式不理解，对一些电路图原理及调试参数的不理解等。这些问题在同学和老师的帮助以及自己上网搜索，最后都逐一的解决了，顺利地完成了课程设计。这使我明白，仅仅依靠我们所学的知识来完

18、成课程设计是不够的，我们需要不断地学习知识，因为知识在不断更新，同时学习也是一个知识积累的过程。第五章 参考文献1电力电子系统建模及控制，徐德洪，机械工业出版社2开关变换器的建模与控制，张卫平，中国电力出版社3电力电子应用技术的MATLAB仿真，林飞，中国电力出版社，20094电力电子课程设计指导书 ，本院编5电力电子技术应用教程，蒋渭忠，电子工业出版社6电力电子技术 第五版,王兆安，机械工业出版社，20097电源的计算机仿真技术,陆治国，科学出版社8 电力电子技术的MATLAB实践，黄忠霖，国防工业出版社第六章 附录参考程序如下：Vg=25;L=124.3*10-6;C=750*10-6;fs=70*103;R=1;H=0.2;Vm=2 G0=tf(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=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi)marg_G=1/marg_G0AV1=