buck电路设计

Buck变换器设计——作业一．Buck主电路设计1.占空比D计算2.电感L计算3.电容C计算4.开关元件Q的选取二.Buck变换器开环分析三.Buck闭环控制设计1.闭环控制原理2.补偿环节Gc(s)的设计——K因子法3.PSIM仿真4.补偿环节Gc(s)的修正——应用sisotool5．修正后的PSIM仿真四．标称值电路PSIM仿真五．设计体会Buck变换器性能指标:输入电压：标准直流电压48V，变化范围：43V~53V输出电压：直流电压24V，5A输出电压纹波：100mv电流纹波：0.25A开关频率：fs=250kHz相位裕度：60幅值裕度：10dB一.Buck主电路设计：1.占空比D计算根据Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围。.50V48V24UUD.4530V53V24UUD0.558V43V24UUDinnomonommaxinominmininomax2.电感L计算uH105fi2)DU-(Ui2)TU-(ULsLminoinmaxLon(min)oinmax3.电容C计算uF25.1250000*1.0*825.0vf8iCsL电容耐压值：由于最大输出电压为24.1V，则电容耐压值应大于24.1V。考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故电容选取120uf/50V电容。4.开关元件Q的选取该电路的输入电压是43V~53V，则开关管耐压值为53V，电流的最大值为A25.525.0A5iIILoQp，其开关频率为KHz250f，因此选用的MOSFET管MTD6N15T4G，其额定值为A6/V150。Buck主电路传递函数Gvd（s）占空比d（t）到输出电压Vo（t）的传递函数为：2020zinvd/sQ/s1/s1U)s(G其中，CR1,)CRR/L(1Q,/R)RLC(11esrzesr0esr0取Resr=50mΩ，负载R=4.8Ω，又知L=105uH，C=120uF，可求得ω0=8862.7rad/s，f0=ω0/2π=1410.5Hz，Q=4.0269，ωz=166670rad/s，fz=ωz/2π≈26526Hz。22vd7.8862/s)7.8862*0269.4(/s1166670/s1*48)s(G二.Buck变换器开环分析Matlab仿真频域特性如下bode图由上图可得，Gvd(s)的低频增益为33.8dB，截止频率fc=10.2KHz，相位裕度=2360，相位裕度不足，高频段是-20dB/dec。1.开环传递函数在低频段的增益较小，会导致较大的稳态误差2.中频段的剪切频率较小会影响系统的响应速度，使调节时间较大。剪切频率较大则会降低高频抗干扰能力。3.相角裕度太小会影响系统的稳定性，使单位阶跃响应的超调量较大。4.高频段是-20dB/dec,抗干扰能力差。PSIM仿真（1）输入电压为48V时电压仿真波形如下图电压稳定时间大约5毫秒，稳定在24V电压稳定后的纹波如下图电压稳定后的纹波大约为0.01V电流仿真波形如下图电流稳定时间大约6毫秒，稳定在5A电流稳定后的纹波如下图电流稳定后的纹波大约为0.002A（2）输入电压变为53V时当输入变为53V时，输出电压变为了26.5V。由仿真结果知，输出电压随输入变化而变化，无法使负载得到稳定的电压。三.Buck闭环控制设计1.闭环控制原理+-VinQfCfLRDUoAH(s)Vref+-Gc(s)脉宽调制输出电压采样与电压基准送到误差放大器，其输出经过一定的补偿后与PWM调制后控制开关管Q的通断，控制输出电压的稳定，同时还有具有一定的抑制输入和负载扰动的能力。令PWM的载波幅值等于1，则开环传递函数为F（s）=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)2.补偿环节Gc(s)的设计——K因子法补偿环节Gc(s)选用PID调节器。)s/1)(s/1()/s1)(s/1(s)s(Gc2pp12zz1cbKG其中，KfKffcccc2222p1p2z1z，，323232p121p2112z331z311CCCCR1CR1)RR(C1CR1)CC(R*Gb，，，，Kc（1）确定闭环传递函数F(s)的剪切频率fc为了使系统响应速度较快，那么fc越大越好；为了抑制开关频率出的干扰，fc取的越小越好。因此fc要这种考虑。取fc=16kHz（2）计算Gb取Vref=12V，H(s)=1/2,则Gb=1/(Gvd(fc)*H(fc))=4.5561（3）计算KGvd(s)在fc=16kHz处的相位是-147.6°，有因为buck变换器的相位裕度指标是60°，取相位裕度为65°所以Φb=60°-180°-（-90°）-（-173°）=122.6°由公式Φb=2（arctan（√K）-arctan（1/√K））得K=15.3（4）确定零极点39324022570123200022p1p2z1zKfKffcccc，，（5）计算元件参数先取R1=1KΩ,Rbias=1KΩ,则由上述结果及公式可解得R2=67Ω，R3=1246Ω，C1=36.37nF，C2=5.96nF，C3=31.2pF3.PSIM仿真电压仿真结果如下图超调量太大，峰值电压达到了39.5V，要对K因子算出的结果进行修正。4.补偿环节Gc(s)的修正——应用sisotool（1）把Gvd，Gc，H=0.5放到sisotool中得到K因子法算得的开环传递函数F(s)的bode图如下图幅值裕度为-20.4db，明显不符合要求。闭环阶跃响应曲线如下图闭环阶跃响应曲线不理想，超调量过大。（2）修正方法——在sisotool的bode图中调节零极点和曲线位置，找到一个不错的闭环阶跃响应如下图此时的bode图如下图（3）修正后的Gc的fc=55KHz，幅值裕度为无穷大，相角裕度为99.7°，wz1=12821rad/s，wz2=10101rad/s,wp1=393240rad/s,wp2=1996400rad/s,13902KGcb得修正后的Gc为)1996400s/1)(393240s/1()10101/s1)(s/128121(s13902)s(Gc（4）修正后的参数为R1=Rbias=1K，R2=33.8Ω，R3=1381.4Ω，C1=75.2nF，C2=0.364nF，C3=71.56nF5．修正后的PSIM仿真（1）额定输入电压，额定负载下的仿真电压响应如下图电压稳定时间大约为1毫秒，稳定值为24V，超调量有所减少，峰值电压减小到了34.75V.稳定后的电压纹波如下图电压纹波大约为11mV电流纹波如下图电流纹波大约为14mA，符合要求。（2）额定输入电压下，由半载到满载的仿真电压响应曲线如下图电压调节时间大约0.4ms，纹波不变大约为11mV。由此可见，输出电压对负载变化的反应速度很快且输出电压稳定。电流响应曲线如下图（3）额定负载下，输入电压变化时的仿真输入电压从48V变到53V时的电压响应如下图输出电压的局部放大图像如下图由上图可知，输出电压调节时间大约为0.5ms，而且稳压效果好。四．标称值电路PSIM仿真实际值为R1=Rbias=1K，R2=33.8Ω，R3=1381.4Ω，C1=75.2nF，C2=0.364nF，C3=71.56nF取标称值为R1=Rbias=1K，R2=34Ω，R3=1370Ω，C1=82nF，C2=36pF，C3=68nF（1）额定输入电压，额定负载下的仿真电压响应如下图电压稳定时间大约为1毫秒，稳定值为24V，峰值电压为34.5V.稳定后的电压纹波如下图电压纹波大约为11mV电流纹波如下图电流纹波大约为14mA，符合要求。（2）额定输入电压下，由半载到满载的仿真电压响应曲线如下图电压调节时间大约0.4ms，纹波不变大约为11mV。由此可见，输出电压对负载变化的反应速度很快且输出电压稳定。（3）额定负载下，输入电压变化时的仿真输入电压从48V变到53V时的电压响应如下图输出电压的局部放大图像如下图由上图可知，输出电压调节时间大约为0.5ms，而且稳压效果好。五．设计体会通过BUCK变换器的设计，可以看出闭环控制的稳压及抑制干扰的作用。在设计补偿电路时，K因子法是个不错的方法，简单准确，但难以使开环传递函数同时满足幅值裕度和相角裕度，无法直观的控制闭环阶跃响应。而且通过K因子法算出的PID传递函数的两个零点必须重合，两个极点也必须重合，这大大限制了PID的调节性能。可用sisotool对K因子法算出的结果进行修正，从而得到较为理想的幅值裕度、相角裕度和闭环阶跃响应，从而提高PID的调节性能。