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2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..............................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3Buck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（BuckChopper）是直流斩波电路（DCChopper）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-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BuckDC-DC变换器。2.电源电压SV=20~25V3.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0V=10V6.电感电流不断续7.电容给定为330F8.必须完成闭环设计（实现补偿网络）3设计原理3.1SG3525工作原理[1]SG3525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，4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1SG3525内部框图5图2PWM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0t的时刻驱动S导通，输入电压SV开始向负载供电，负载电流呈指数曲线上升。当0tt时刻，控制S关断，负载电流镜二极管D续流，负载电压0V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。至一个周期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：SSonSoffononVVTtVtttV0式中，ont为处于S通态的时间，offt为S处于断态的时间，T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0V最大为sV，减小占空比，0V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、)(sR)(sC()cGs()mGs()vdGs()Hs+dPWM6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。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：4Buck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：221()11govdVVGsLLDLCssLCssRR1()mmGsV021()()()()()1gmvdmVGsGsGsHsHsLVLCssRVCC=11V-18V芯片电源5.1v电位器电位器0.1F:2150TRkk:0.0010.1TCFF:0(57)500DR和短接VC=15V-20V驱动电压DRG30(欧姆)SG7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F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0~500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0.1F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0.01F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20~25V,这里我们选定为20V。因为输入sV=20V,输出80V=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5.0)1(DDLfVIsSL可以得到HL3^10*3.3,所以选取电感681又由于LIVR5.00得40R，所以选取电阻为47。要求电流连续，所以)1(20DDLfVRVsSL,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：9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：022111gvdVVGLLSSLCSSLCRR带入数据得：7^10*089.15^10*25.8120vdG原始回路增益函数0G为：021()()()1ygmvdxymRVGHsGsGsLRRVSSLCR带入数据得：7^10*089.15^10*25.815.27^10*089.15^10*25.81202.314000100010000GSG3525的1号脚SG3525的9号脚SG3525的11号脚或14号脚SG3525的2号脚10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：211332121123312(1)[1()]()[()](1)(1)csRCsRRCGsRCCsRCCssRCCC有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为：12112zfRC,2133131122zfRRCRC极点为：1pf为原点，23312pfRC，32121212pfRCCCC频率1zf与2zf之间的增益可近似为:211RAVR在频率2pf与3pf之间的增益则可近似为：21322133RRRRAVRRR考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取5sgff（sf为开关频率）开环传函oGs的极点频率为1,212ppfLC，将cGs两个零点的频率设计为开环传11函oGs两个相近极点频率的12，则：121,