BUCK变换器设计

1、BUC废换器设计报告一、BUC磔换器原理降压变换器( Buck Converter )就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源。二、BUC在电路参数计算及器件选择1、BUC磔换器的设计方法利用MATLAB PSPICEM设计电路进行设计，根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真，再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计，比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等，选取性能优良的模型进行电路搭建。2、主电路的设计指标输入电压：标称直流 48V,范围4353V输

2、出电压：直流24V， 5A输出电压纹波：100mV电流纹波： 0.25A开关频率： 250kHz相位裕量：60 幅值裕量：10dB、BUC在电路十»J4<r±三一三 H_： . Ep arrr主电路的相关参数：开关周期：Ts=1=4Xl0-6s fs占空比：当输入电压为 43V时，Dmax=0.55814当输入电压为53V时，Dmin=0.45283输出电压：Vo=24V输出电流Io=5A纹波电流：AIl=0.25A纹波电压：AVL=100mV电感量计算：由AiL=Vin-max-VoDTs得:2LL= Vin-max-vo DminTs= 53 - 24 x 0.4

3、5 28 X 4X 106=1.05 X 10-4H 2A iL2 0.25电容量计算：由AVL=3LTS得：8CC= A!TS=25_X4X 10-6=1.25 x 10-6F 8A Vl8 0.1而实际中，考虑到能量存储以及输入和负载变化的影响，C的取值一般要大于该计算值，故取值为 120 F。实际中，电解电容一般都具有等效串联电阻，因此在选择的过程中 要注意此电阻的大小对系统性能的影响。通常锂电容的 ESR在100毫 欧姆以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR甚至高达数欧。ESR的高低与电容的容量、电压、频率和温度等多因素有关， 一般对于等效串联电阻过大的电容，我们可以采

4、用电容弁联的方法减小 此串联电阻。此处取RESR=50m。4、主电路的开环传递函数取 RESF=50mQ, R=4.8Q, C=120 F, L=105 H, Vin=48V, 可得传递函数为：在MATLAB中根据开环传递函数画出Bode图：>> clear>> num0=2.88e-4,48;>> den1=1.27313e-8,2.7875e-5,1;>> bode(num0,den1)>> kg,gm,wkg,wgm=margin(num0,den1) >> grid相角裕量23.0483,显然不符合设计要求，考虑对

5、其增添闭环控制回路进行校正。5、主电路的PSIM仿真电路如下:MOSFET电流I1波形如下:电压V1波形如下: 三、BUCK变换器控制框图BUCK变换器的控制器主要有电压型控制和电流型控制，其各自电路图如下所示电压型:Ql _HL*+R忒，)/PWIGate diie/ H(s) = R)(4+&)pulse-width modulator电流型:GatedriveQ电压型控制原理是将开环电路的输出电压进行采样，采样信号H (s)与基准电压VREF输送到误差放大器，G (s)设计的有源串联校正 PID环节。具输出经过补偿在经过 PWM ,调制后的信号控制开关 Q的通断,以此来控制输出电

6、压的稳定，达到闭环控制的目的；电流型控制用通过 功率开关的电流波形替代普通 PWM的载波信号，每个开关周期之初，由时钟脉冲置位RS触发器，于是Q1导通，之后iL逐渐增加，当iL大 于调制信号时，比较器翻转弁复位 RS触发器，Q1关断。综合考虑难易 程度和功能特性，本设计采用电压型控制电路。采用电压型控制电路的 BUCK转换器原理框图如下所示：GVd (s)为开环增益，Gc (s) x Gw的调节器，H为反馈因子。则该框图的闭环增益为：T = Gvd(s)H(s)Gc(s)GpwM三、K-因子法设计控制器调节器类型有三种：积分器： 斜率2口db/d",-90° .PI调节器：

7、加入一个零点，局部斜率平坦，并且可提供9d的超前相位PID调节器；加入两个零点.局部斜率上翘，并且可提供18Y的超前相位.PID调节器性能最佳。搭建好闭环电路，确定串联PID校正环节,确定新的开环剪切频率和相位裕量，确定控制回路中各个电阻电容的取值，这一工作可采用 K-因子法完成，K-因子法设计步骤是：确定新的剪切频率；确定校正前处的相角和校正后的相位裕量，计算需要的相位超前 量。计算公式为 b = %'90基于确定K值，PID调节器公式为：基于K-因子确定补偿器的零点、极点位置，弁计算调节器参数 公式为：校正环节传递函数如下为：取 f15.5kHz= 163 K= 23113计算得校正环节传递函数为四、MATLAB SISOTOOL利用以上求得的数据，用 MATLAB勺SISOTOOLE具箱可以画出加入 补偿器后的传递函数BODES如下幅值裕量、相角裕量均满足设计要求五、PSIM仿真结果1、带有PID调节器的PSIM电路如下所示：2、将R1