BUCK变换器设计.pdf

BUCK 变换器设计报告 一、BUCK 变换器原理 BUCK 变换器是一种降压变换器，将直流输入电压转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、BUCK 主电路参数计算及器件选择 1. BUCK 变换器的设计方法 利用 MATLAB 和 PSPICE 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 43〜53V 输出电压：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 三、BUCK 主电路 主电路的相关参数： 开关周期：TS=1/4×10^(-6)S 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：V°=24V 输出电流：Lo=5A 纹波电流：AL=0.25A 纹波电压：AVL=100mV 电感量计算：由 AL=Vin-max-V°DTs 得： L=Vin-max-V°/DminTS=53-24/0.45283×4×10^(-6)=1.05×10^(-4)H 电容量计算：由 AVL=AiLTS 得： C=AiLTS=0.25×4×10^(-6)=1.25×10^(-6)F 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 uF。 四、主电路的开环传递函数 取 RESF=50mΩ, R=4.8Ω, C=120uF, L=105uH, 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) 相角裕量23.0483，不符合设计要求，考虑对其增添闭环控制回路进行校正。 五、主电路的 PSIM 仿真 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： ① 电压型： modulator 电压型控制原理是将开环电路的输出电压进行米样，米样信号 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。其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，比较器翻转并复位 RS 触发器，Q1 关断。综合考虑难易度和功能特性，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： Gd(s) 为开环增益，Gc(s)xGW 为调节器，H 为反馈因子。 则该框图的闭环增益为： T=(Gvd(s)H(s)Gc(s)GpwM) 四、K--因子法设计控制器 调节器类型有三种： 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。 积分器：^-20db/dec, -PE 调节器：加入一个零点，局部斜率平坦，并且可以提供 90° 的超前相位•PID 调*加入两个零点，局部斜率上翘，并且可以提供 18° 的超前相位 这 一工作可采用 K--因子法设计控制器。