BUCK变换器设计要点

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1、引言 32、设计要求 33、设计原理 33.1、 SG35251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 74.1.1 控制回路接线、焊接电路 74.1.2 检测控制回路的输出波形 74.1.3 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、记录数据 94.2.4 遇到

2、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变换器显而易见就是一种 DC-

3、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 VS =2025V3 .

4、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 V0=10V6 .电感电流不断续7 .电容给定为330F8 .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

5、内部含有一个两级差分放大器，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。VrefVccGround DSC.Output $吟RICTDisch&rCompensation IHV. inputNonin* input SofLSt 缸 t(bJPWM工作波形Shutdown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:1 mHL+VS-20 VC _ 1 ijF图3降压斩波电路原理图在t=0的时刻驱动S导

6、通，输入电压 VS开始向负载供电，负载电流呈指数曲线上升。当1=b时刻，控制S关断，负载电流镜二极管 D续流，负载电压 V。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 L的值较大。至 个周期T结束，再驱动 S导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，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：V0 =tont t%noffVs= "Vs=Vs式中，ton为处于S通态的时间，toff为S处于断态的时间，T为开关周期，a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 V。最大为Vs,减小占空比a , V。随之减小。3.

7、3超前一滞后校正器原理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Buck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。1LCs2 - s 1R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:Gvd(s)Vg

8、L一LCs2 s 1R其中R是负载电阻。PWM的传递函数为：Gm(s)Vm其中Vm是锯齿波的峰值。未校正前的开环传函：1VgG0(s) =Gm(s)Gvd(s)H(s) =LH(s)Vm LCs2 -s 1R4 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:5.1v电位器Inv Input Nonin? Jdm! 2Sync 3OSC Output 4CT:0.001/F -0.1FCt 51615 Vcc14 Output B13 VC12 GroundRt :2k'.1 -150k1.1Rt 6电位器Discharge 710 ShutdownRd :0

9、j (刀 口 7Soft-Start 8)-50S 煤-VCC=11V-18V芯片电源VC=15V-20 V0驱动电压1rg30(欧姆)J 0.1F 11'GDS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0.01 RF的电容103相连，电容的另一个脚接地；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建的电阻，本次设计中选取47。的电阻；12脚接地；在13脚处

10、并联一个大小为 0.1 N F的电容和一个大小为 100c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SG352

11、5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0.01 NF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Vs=20V,输出V0 =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VsI L = D （1 - D ） < 0.5 Lf s可以得到L之3.3*10A3H ,所以选取电感 681又由于R之 V° 得R240 ,

12、所以选取电阻为 47G。0.5. ：I L要求电流连续，所以 V0- >S- D（1 - D）,带入所求的电感电阻，能满足电流连Rl2Lfs4.2.2 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 MOSFE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10Vo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

13、 MOSFETf有字的一面一次应的是栅极（ G极）、漏极（D 极）、源极（S极）。其中G极与控制回路中芯片 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 10Vo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

14、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，传递函数 Gvd为：V 01VgG vd 二二 2ccL2c1 S S2LC 1 S S 2lcRR带入数据得：Gvd原始回路增益函数201 8.25* 10A-5 1.089*10A-7Go为：G0H (s)Gm(s)Gvd(s)=Ry 1VgRxRy Vm1 S S2LCR带入数据得:G。1000120二251000 4000 3.2 1 8.25*10A-5 1.089* 10a-71 8.25* 10、-5 1.089* 10A-7用MATLAB#开环下系统的伯德图为:lmi- hl £

15、 W r血f 3 iPh » 211HA f 316&>OJ3 ffidte'i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:G c(s)(1SR2C1 )1s(RiR3)C3八 八R2cle2-sRi(Ci C2)(1 s2- )(1sR3c3)C1 C2有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为：fz1 = 2二 RzC1 , fz2 =2二 R1 R3 c3 n 2- RC3极点为：fp1为原点，fp2 =fp32 二 R3c31c R2C1C22 二C1 C2频率fz1与fz2之间

16、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：AV2考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取R2 R1 R3R2R1 R3R3-fs、，一 、, 什»fg = 一 ( fs为开关频率)51开环传函Go(s叩极点频率为fp1, p2天-=,将Gc(s )两个零点的频率设计为开环传2-LC1-1函Go(S声个相近极点频率的一，则：fz1 = fz2 = fp1, p2。2210将补偿网络Gc(s2个极点设为fp2= fp3= fs以减小输出的高频开关纹波。AVifz2 .R2=|G“j2n fg = fg 1 V RiR2Rifp2 ,.R2AV2Gc

17、 i. j 2 fg ifg 1R3根据已知条件使用 MATLA叁序(源代码见附录)算得校正器Gc (s)各元件的值如下:取 R2=10000 'JH(S)=1/5算得：C1=9.4811*10A-8 F ;C2=1.5915*10A-9 F ;C3=9.8728*10A-9 F;R1=96033'.1 ;R2=10000'.1 ;R3=1612'.1 ;补偿器伯德图为:111.1.1 后系统Bode图可见此时相角裕度为 46.1 ,满足设计要求。1.1.2 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;

18、Rx 为 1KQ ;Ry 为 4KQ ;R1 为 100KQ ;R2为 10K QR3为1KC和5.6KC和1KC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，在它们之间接入反馈网络，得到闭环回路。1.1.3 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。1.1.4 遇到的问题及解决方

19、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。125总结5.1 实践经验通过本次对Buck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

20、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

21、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

22、.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1.1 nv.input（引脚1）:误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系13 统中，该端与补偿信号输入端（引脚 9）相连，可构成跟随器。1.1 oninv.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。1.5 ync（引脚3）:振荡器外接同步信号输入端。该

23、端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同 步。1.6 SC.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。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