BUCK变换器设计

1、电力电子技术课程设计题 目 Buck变换器设计学 院 专 业 自动化年 级 2008级学 号 姓 名 同 组 人 指 导 教 师 成 绩 2010年7月目 录1、引言.32、设计要求.33、设计原理.33.1、SG3525工作原理.33.2、降压斩波电路工作原理.53.3、超前-滞后校正器原理.64、Buck变换器的设计. .74.1、控制回路的设计.7 4.1.1 控制回路接线、焊接电路.7 4.1.2 检测控制回路的输出波形.7 4.1.3 遇到问题及解决方法.74.2、主回路的设计.84.2.1 主回路参数的计算.84.2.2 控制回路的接线、焊接.84.2.3 控制回路的观测、调试、记

2、录数据.94.2.4 遇到的问题以及解决方法.94.3、超前-滞后校正系统.94.3.1 校正器的参数计算 .124.3.2 校正器的接线、焊接.134.3.3 闭环回路的检测及调试.134.3.4 遇到的问题及解决方法.135、总结.135.1 实践经验.135.2 心得体会.13参考文献.14附录Buck变换器设计1 引言通常我们所用的电力有交流和直流两种。从公共电网中得到的电力是交流，从蓄电池中得到的是电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换。降压斩波电路（Buck Chopper）是直流斩波电路（DC Chopper）的一种，根据它设计可得到的Buck变换

3、器显而易见就是一种DC-DC的电压变换器。很据课题要求，要求设计一个闭环的Buck变换器系统。该系统主要由三部分构成：一是控制回路，由SG3525芯片组成的PWM脉冲发生器构成；二是主回路，包括电阻、电感、电容等器件；三是一个超前滞后校正器，使得输出的电压保持稳定。计算所设计的主电路和超前滞后校正器的参数电阻、电感、电容等的值是多少，选择适当的器件，按照原理图进行布线焊接，并分别在控制回路，主电路，和超前滞后校正器焊接好之后对其进行检测，检测是否达到达到闭环控制的要求。在设计过程中要联系实际，主要给有些电路添加保护回路。2 设计要求1.设计一个Buck DC-DC变换器。2.电源电压=2025

4、V3.瞬时电流（最大电流）不能超过0.5A（由于电源限制）4.开关频率30KHz5.要求输出电压=10V6.电感电流不断续7.电容给定为3308.必须完成闭环设计（实现补偿网络）3 设计原理3.1 SG3525工作原理1SG3525是电流控制型PWM控制器，通过SG3525实现对MOSFET的开通与关断的控制，其原理和所得到的波形分别入如图1和图2所示。其中，脚16是基准电源输出端，精度可以达到5.1V。15脚是芯片偏置电源接入端，在本次设计中选取的是16V作为输入。我们设计中需要的矩形波形是从11脚和14脚这两个脚输出的，且11脚和14脚是互不输出端。SG3525芯片的内部含有一个两级差分放

5、大器，在设计校正器的时候，脚1和脚2分别是差分放大器的反相输入端和同相输入端。除此之外，根据闭环系统的动态、静态特性要求，在放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈网络。图 1 SG3525内部框图图2 PWM控制原理图和工作波形3.2 降压斩波电路工作原理2 降压斩波电路的原理图如图3所示：图3 降压斩波电路原理图 在的时刻驱动S导通，输入电压开始向负载供电，负载电流呈指数曲线上升。 当时刻，控制S关断，负载电流镜二极管续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为使负载电流连续且脉动较小，通常使传亮的电感的值较大。至一个周期结束，再驱动导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，

6、负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为：式中，为处于通态的时间，为处于断态的时间，为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。可见，输出到负载的电压平均值最大为，减小占空比，随之减小。3.3 超前滞后校正器原理3 图4所示为超前-滞后校正器的框图图4 超前滞后校正系统超前滞后校正兼有滞后校正和超前校正的优点，即已校正系统响应速度较快，超调量较小，抑制高频噪声的性能也较好。当待校正系统不稳定，且要求校正后系统的响应速度、相角裕度和稳态精度较高时，以采用超前-滞后校正为宜。其基本原理是利用超前-滞后网络的超前部分来增大系统的相角裕度，同时利用滞后部分来改善系统的稳态性能。在原Bu

7、ck降压斩波的控制回路中再加入一个超前滞后校正器，使得系统性能稳定，能够得到稳定的输出电压，达到控制要求。根据图4，电流连续时Buck变换器占空比至输出的传递函数为：其中R是负载电阻。PWM的传递函数为：其中Vm是锯齿波的峰值。未校正前的开环传函： 4 Buck变换器的设计4.1 控制回路的设计控制回路的原理图如下图5所示： 图5 控制回路接线图4.1.1 控制回路接线、焊接电路按照控制回路原理图进行接线。其具体接线方法是：将芯片SG3525的脚1和脚9短接；将电位器103的中间脚和旁边一个脚分别接在16脚和12脚，电位器的另外一个脚接地；脚5与0.01F的电容103相连，电容的另一个脚接地；

8、脚6接电位器503的其中一个脚，电位器的中间脚接地；脚7个脚5之间连接一个大小为0500的电阻，本次设计中选取47的电阻；12脚接地；在13脚处并联一个大小为0.1F的电容和一个大小为100的电阻，并将电容的另外一端接地，电阻的另外一段接高电平；15脚接电源，本次设计使用的输入电压为16V。根据所接线路进行焊接。4.1.2 检测控制回路的输出波形用示波器观察11脚和14脚的输出电压波形，可观测到期望输出的方波波形，调节电位器503到课题要求的频率，调节电位器103可调节其占空比，从而得到期望输出的电压值。这样控制回路就是成功了。4.1.3 遇到问题及解决方法在观测波形的时候我们可能会遇到一些问

9、题，比如得到的波形不是方波而是不稳定的其他波形，那么可以通过503适当的调节频率，就可以得到期望的方波。另外，也可以将SG3525芯片的10脚接地再进行观测，或是将15脚和12脚之间接一个0.01F的电容。为避免SG3525被烧坏，在1脚和5脚之间接一个保护电容。4.2 主回路的设计主回路电路图如下图6所示：图6 主回路电路图4.2.1 主回路参数的计算根据课题要求，输入电压为2025V,这里我们选定为20V。因为输入=20V,输出=10V，所以D=1/2。要求的开关频率是30KHz。由于要求瞬时电流（最大电流）不能超过0.5A，所以根据 可以得到,所以选取电感681又由于得，所以选取电阻为4

10、7。要求电流连续，所以,带入所求的电感电阻，能满足电流连4.2.2 控制回路的接线、焊接 按照原理图进行接线，将11脚或14脚的输出接到MOSFET管的栅极（G极），本次设计接在14脚，然后进行焊接。4.2.3 控制回路的观测、调试、记录数据 再次使用示波器观察输出波形是否还是矩形波，调节电位器103来调节占空比一达到期望的输出电压10V。这样主电路就是完成了。 记录下矩形波的实际频率是6.32KHZ；观测5号脚的锯齿波，记录下锯齿波的峰峰值为3.2V。4.2.4 遇到的问题以及解决方法焊接电路的时候应当注意MOSFET管有字的一面一次对应的是栅极（G极）、漏极（D极）、源极（S极）。其中G极

11、与控制回路中芯片SG3525的11脚或是14脚，D极接电源20V，S极接负载端。在这个环节中遇到的最大问题就是，由于SG3525芯片本身的性质，其输出的占空比最大不能超过50%，所以在输入电压为20V的情况下我们根本就无法得到期望的输出电压10V。为解决这个问题，我们将11脚和14脚并联并通过两个二极管最后都接入到MOSFET管的G极，这样就增大占空比以达到期望电压10V。在实际观测中，由于电容的质量存在问题和二极管也有一定的管压降，导致设计结果存在一些误差，这是难免的。4.3 超前-滞后校正系统的设计闭环回路的电路图如下图7所示：图7 闭环回路电路图4.3.1 校正器的参数计算 开环下，传递

12、函数Gvd为：带入数据得：原始回路增益函数为：带入数据得：用MATLAB得开环下系统的伯德图为：图8校正前的Bode图相角裕度只有2.1度,过低，不满足设计要求。需加入补偿器。由前面已知，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：考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取 （为开关频率）开环传函的极点频率为，将两个零点的频率设计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。 根据已知条件使用MATLAB程序（源代码见附录）算得校正器Gc（s）各元件的

13、值如下：取 R2=10000 H(S)=1/5算得：C1=9.4811*10-8 F；C2=1.5915*10-9 F；C3=9.8728*10-9 F;R1=96033;R2=10000;R3=1612;补偿器伯德图为：图9 校正器Bode图校正后的Bode图为：图10 校正后系统Bode图可见此时相角裕度为46.1，满足设计要求。4.3.1 校正器的接线、焊接根据上述计算结果，于是选取器件为：C1为104；C2为224；C3为103；Rx为1K；Ry为4K；R1为100K;R2为10KR3为1K和5.6K和1K的电阻串联。按照原理图进行接线，焊接。将原来开环回路中的脚1 和脚9断开，在它们

14、之间接入反馈网络，得到闭环回路。4.3.2 闭环回路的检测及调试接通电源，调节输入电压，这时可以观测到输出电压保持不变，用示波器观测14脚的输出波形，可以看到随着输入的变化，占空比发生变化，即是输入电压变大则占空比变小，输入电压变小则占空比变大，即输出电压不随输入电压的改变而改变。这就是闭环成功了。但是本组在本次设计中出现了一点小问题，最后闭环回路没有起作用，即闭环失败了。4.3.3 遇到的问题及解决方法在这个环节中遇到的问题就是由于实验室的器材限制，不能完全满足根据理论值来找到相应得器件，于是需要我们对某些器件进行串并联或是取其近似值来达到课题要求。5 总结5.1 实践经验 通过本次对Buc

15、k变换器的设计，我们知道了在做课程设计的时候，必须要先理解设计的目的和要求，通过计算来确定所需要使用的元器件。在实际的电路焊接中，应该先对整个电路板进行布局，合理的安排元件的位置。然后进行接线、焊接，在焊接时要注意有些器件容易被烧坏。当实际所得到的结果与期望的结果不一样时，可以适当的添加一些器件来辅助。有些电路要加入一些保护电容来避免元件被烧坏。在焊接完成后，运行电路对每个功能进行检验。如果存在问题就首先检查电路是否存在短路的地方，或是虚焊的情况，再看线路是否接正确，或者检查器件是否有问题或被烧坏，从而完善电路板。5.2 心得体会做了一周的课程设计，使我有很多的心得体会，可以说这次Buck变换

16、器的设计是在大家的共同努力和在老师的精心指导下共同完成的。通过这次课程设计，使我加深了对电力电子技术这门课的理解，这次的课程设计还结合了电力电子技术和自动控制原理这两门课，以前我总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到理论结合实际的重要性。在做课程设计时我们也遇到了很多问题，比如在做控制回路的时候我们前一天晚上得到了矩形波，但是在第二天早上的时候就发现波形出问题了，于是我们不得不检查调试。在做主回路的时候，由于最开始我们没有考虑到由于SG3525芯片本身性质的限制，其输出的占空比不能超过50%，费了不少时间，后来在老师的指导下我们并联11脚和14脚才解决了问题。虽然最后我们的闭环没有

17、成功，但是我们收获了实践的过程，并从中学到了很多书本上没有的知识，也认识到了团队合作的重要性，相互的协作才有我们做出的成绩。很感谢学校给我们这次实践的机会，让我们有了一个共同学习，增长知识的机会，也感谢老师对我们实验的精心指导，我会以这次课程设计作为一个新的开端，继续学习。参考文献：1 PWM控制芯片SG3525功能简介（图），http:/www.power-2 王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2010.119-120.3 胡寿松.自动控制原理M.北京：机械工业出版社，2007.264-265.附录：1.SG3525芯片的引脚功能1.Inv.input(引脚1)：误差放大

18、器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。

19、该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。11.Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。12.Ground(引脚12)：信号地。13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。14.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。15.Vcc（引脚15）