BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V25V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电力电子技术题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 55V/25V目录一、课题背景31.1 BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律31.2 BUCK电路的工作原理31.3BUCK电路应用4二、目的5三、设计要求5四、设计步骤5（一）主电路参数设计5（二）滤波电感L的计算6（三）闭环系统的设计61、闭环系统结构框图62、BUCK变换器原始回路传函的计算73、补偿器的传函设计：见附录373、闭环系统仿真8五、总结和心得9六、参考文献10七、附录11附录1：11附录2：11附录3：12附录

2、4：12附录5：14一、课题背景1.1 BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律 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) 。 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原理。一个周期内电容充电电荷

3、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。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，则一个开关周期内电感上磁链增量为： ，

4、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。1.2 BUCK电路的工作原理1.2.1电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析 图1-2 BUCK电路的等效电路 （1）晶体管导通状态 VD关断，依据等效电路拓扑，由于电路频率很高，一个周期内 和 基本维持不变，可视为固定值， 为常数，电流变化为线性。， 。（2）二极管VD

5、导通模式 晶体管关断，电感续流，二极管导通 ，同样，由于 视为维持不变，则输出电流线性减小。，。1.3BUCK电路应用BUCK电路主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DC/DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥

6、电路，可以实现蓄电池的充放电。下面介绍几种应用实例：1.3.1 UC3842电路UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该芯片集成了振荡器、具有高温补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电流、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路。其应用领域为：开关电源；工业电源；电压反馈电路设计；反激开关电源设计。1.3.2 SG3525电路SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。

7、它的应用领域是：开关电源；直流变换器；逆变器设计；脉冲宽度调制。1.3.3 TL431电路TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中用它代替稳压二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。应用领域：电平值转换；充电器；开关电源；适配器；DVD；电视机。1.3.4 BUCK电路的使用注意BUCK电路只有一个电感，没有变压器，输入与输出不能隔离。这就存在一个危险，一旦功率开关损坏电路，输入电压将直接加到负载电路，因为占空比D<1，所以BUCK电路仅有一路输出，如果

8、输出电压为5V，还需要3.3V时，则要加后续调节器，BUCK电路在多路输出时是这样应用的。二、目的1. 了解开、闭环降压拓扑的基本结构及工作原理；2. 掌握BUCK开关电源电路中各元器件选择和主要参数的计算；3. 运用Matlab仿真软件对所设计的开、闭环降压电路进行仿真。4. 掌握降压电路电压控制双极点、双零点补偿器环节的设计与仿真技术。三、设计要求输入直流电压(VIN)：55V输出电压(VO)：25V输出电流(IN)：5A输出电压纹波(Vrr)：50mV5、开关频率(fs)：80kHz6、负载突变为80%的额定负载7、电流脉动峰-峰值：8、二极管的通态压降VD=0.5V，电阻压降VL=0.

9、1V，开关管导通压降VON=0.5V9、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2%，相位延迟0.006s。四、设计步骤（一）主电路参数设计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1-1 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， （1-1）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。本例中取为75*F。 计算出RC和C的值。（二）滤波电感L的计算开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程，再利用，可得TON=

10、5.818S，将此值回代式(2)，可得L=0.3421mH（三）闭环系统的设计1、闭环系统结构框图整个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：系统框图如下：见附录12、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

11、为输出端反馈电压的分压电阻，为开环传递函数。将Vm=50V,H(S)=5/6,Vin=55V,C=0.75*10(-3)F,Rc=0.1欧，L=0.3421*10(-3)H，R=5欧代入传函表达式，得到：用matlab绘制波德图，得到相角裕度21.1度。所用matlab程序：见附录2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：见附录3补偿器的传递函数为：有源超前滞后补偿网络有两个零点、二个极点。零点为：,极点为：位原点，,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：考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取开环传函的极点频率为,将两个零点的频率设计

12、为开环传函两个相近极点频率的，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，绘制波德图，得到相角裕度，验证是否满足设计要求。参考程序如下：见附录4依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：T(s)=GO(s)Gc(s)=3、闭环系统仿真用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）(2) 对闭环

13、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100kHz，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

14、幅值为1，周期为0.012S，占空比为20%，相位延迟0.006S。波形图：见附录5五、总结和心得这次课程设计历时一个星期，通过这一个星期的学习我发现了自己还存在很多不足的地方，例如，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏的，理论联系实际的能力还有待提高。 在此次课程设计中，我知道了BUCK电路的工作原理，还有滤波电感，滤波电容的计算，开环原始传递函数的计算以及伯德图和相角裕量的分析等等。 这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，有的绘制原理图，有的进行

15、仿真实验，还有的积极查询相关资料并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在此次课程设计中，只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。 在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经因为仿真的成功而热情高涨。生活就是这样汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程设计，可是平心而论，那也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服那些专门搞电路设计的技术前辈们，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更

16、美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！ 通过这次课程设计，我想说，为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但是苦中仍有乐，和小组的其他成员一起探讨的日子里，我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐就在这里洒下啊！对我而言，在知识上的收获重要，在精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆。六、参考文献1陈坚赵玲编电力电子技术及应用电气工程及其自动化专业函授专升本教材北京中国电力出版社2006.1 2曹丰文刘振来祁春清编

17、著电力电子技术基础北京中国电力出版社2007.83汤建新马皓编著电力电子技术实验教程北京机械工业出版社2007.34莫正康主编电力电子应用技术第3版北京机械工业出版社2007.35严克宽张仲超编电气工程和电力电子技术北京化学工业出版社2002.46王文郁石玉编电力电子技术应用电路北京机械工业出版社2001.8七、附录 附录1：附录2：num=1.65*10(-6), 2.2;den=0.257*10(-6), 0.068*10(-3), 1;G0=tf(num,den)Margin(G0) 附录3：附录4：clc;clear;Vg=55;L=0.3421*10(-3);C=0.75*10(-3);fs=80*103;R=5;Vm=20.83;H=0.8333;Rc=0.1;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)*fp1fz2=(1/2)*fp1fp2=fsfp3=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp