buck变换器设计.doc

学习资料收集于网络，仅供参考电力电子技术课程设计题 目 Buck变换器设计学 院 计算机与信息科学学院专 业 自动化年 级 2012级学 号 222012321042094姓 名 郑继伟同 组 人 付镜锋指 导 教 师 何强 黄巧莉成 绩 2014年 07 月 26 日学习资料1 引言12 PWM控制器设计12.1 PWM控制的基本原理12.2 控制电路设计33 buck变换器主电路设计53.1 主电路分析73.2 反馈回路设计94 buck变换器控制器设计104.1 系统分析104.2控制器设计124.3控制器实现144.4 缓冲电路设计155 问题和总结17参考文献：18附录：18Buck变换器设计1 引言直流-直流变流器（DC-DC Converter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路为称斩波电路（DC Chopper），它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V导通一段时间ton，由电源E 向L、R、M供电，在此期间，uoE。然后使V关断一段时间，此时电感L通过二极管VD 向R和M 供电，uo0。一个周期内的平均电压。输出电压小于电源电压，起到降压的作用2。2 PWM控制器设计本组设计要求：Buck DC/DC变换器。电源电压Vs=12-18V，开关频率38kHz。要求输出电压Vo=9V；电感电流不断流，需要完成完成闭环设计(实现补偿网络)和MOSFET的。2.1 PWM控制的基本原理1PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效2 。 图3 用PWM波形代替正弦波2.2 TL494的时序当锯齿波电平死区时间控制电平时，死区时间比较器输出高电平。当锯齿波电平反馈/PWM输入电平时，PWM比较器输出高电平。死区时间控制电压和反馈/PWM输入电压，二者中较高的电平控制触发器时钟宽度。当输出控制电压=H时， Q和时钟信号均为0时，Q1基极获高电平导通， /Q和时钟信号均为0时， Q2基极获高电平导通，两管轮流导通，称为推挽工作方式。当输出控制电压=L时，时钟信号为0时， Q1和Q2基极获高电平导通，两管同时导通，称为单端工作方式。图4 TL494时序图2.3 控制电路设计PWM控制芯片TL494是频率固定的PWM控制器，主要为开关电源控制器而设计。其具有：【2】完整的脉冲宽度调制控制电路 片上的振荡器可以工作在主动模式和被动模式 片上集成误差放大器 片上集成 5.0V 基准电压 可调整的死区时间控制 输出晶体管输出和灌入电流可达 500mA 输出控制可用于推挽式和单端式 低压锁定控制电路使用PWM控制芯片TL494来产生开关控制信号。其原理图如下：图5 PWM控制原理图和工作波形图6 TL494内部框图图7 PWM控制电路接线图表1 PWM控制电路器件清单序号名称数量备注116脚IC插座12CT电容16823电位器24死区电阻15.1k512号引脚电容1104612脚与7脚去耦电容1电解电容用以上器件，将PWM控制电路焊接完毕之后，调试过程中发现，不管如何调节电位器RT，开关频率始终在几百Hz，距离要求的38kHz相差甚远。便怀疑是焊接过程出现了问题，用万用表检查各个触点，发现与6号脚连接的电位器的中间端应该接地，却接在了电源线上面，修正了这一错误之后。电路运行正常。调试电路，得到TL494芯片的5号脚出现锯齿波，9和10脚出现方波。由本组实验要求，开关频率为38kHz,调节6号脚的电位器直至开关频率为38kHz。图8 方波3 buck变换器主电路设计3.1 主电路分析图9 主电路开环控制图 (1) (2)将最小电流值取0.5A，电源电压取18V。通过（1）（2）两公式求得Lmin=164uH又根据领的磁环尺寸得知，其：AL=93(3)Nmin=29计算得知，最少需缠绕漆包线29圈，实际缠绕过程中，为了使电感尽可能地大一些，提高实验的成功率，缠绕了59圈。表2 电感参数表磁环型号ALNN实际理论电感实测电感KT106-269329 59164uH332.5uH表3 开环控制参数表名称 数值型号CT6.67nF682RT 4.76kEOS T二极管VDSR2100MOSFETIRF530N驱动电阻Rg305W30J滤波电容1977uFLXZ去耦电容Bb45uFS7C用以上元器件将开环控制电路焊接完毕之后，经过调试未发现问题，顺利测出了开环的各项数据，通过调节电位器W1,改变占空比，测得开环情况下，各数据如下表所示：表4 开环测试表输入电压 占空比 3号脚电压（v） 理论输出电压(v) 实际输出电压（v）18v03.500.00.0718v0.053.380.90.5318v0.13.291.81.1118v0.32.845.43.7118v0.52.159.06.6618v0.71.6312.69.5718v0.81.4114.410.7618v最大0.715.611.923.2 反馈回路设计系统框图如下：图10 Buck变换器系统框图主电路图如下：图11 主电路图整个Buck电路包括Gc（s）补偿器，Gm（s）PWM控制器，Gvd（s）开环传递函数和H（s）反馈回路。给定量R（s）(既TL494芯片2号脚电位器所对应电压)与反馈量H（s）(既与比较产生的偏差通过bode图法得到控制器Gc（s）校正后来调节PWM控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压即作出相应的调整,来消除偏差。降压变压器闭环连接电路图为：图12 反馈回路和补偿器反馈回路既H（s）取0.164，既为0.164。取Ry为10K欧姆，Rx为51K欧姆。一端接地。4 buck变换器控制器设计4.1 系统分析把TL494芯片占空比调到最大（调节2号脚电位器，当占空比恰好变小那刻）5号脚锯齿波所对应的峰值电压即为实验所需数据Vm的值，实验测得为3V。开环下，传递函数Gvd为： (4)带入数据得：(5)原始回路增益函数为： (6)带入数据得： (7)用MATLAB得开环下系统的伯德图为：图12 开环传递函数的伯德图由图很容易知道，此系统不稳定，需要加入控制器，使系统稳定。4.2控制器设计补偿器的传递函数为： (8)补偿网络有两个零点、三个极点。零点为： (9) (10)极点为：为原点， (11) (12)频率与之间的增益可近似为: (13)在频率与之间的增益则可近似为： (15)考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取 （为开关频率）开环传函的极点频率为，将两个零点的频率设计为开环传函两个相近极点频率的，则： (16)将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。 (17) (18)根据已知条件使用MATLAB程序（源代码见附录）算得校正器Gc（s）各元件的值如下：取 R2=6*104欧姆 H(S)=0.164算得：R1=6000欧姆 R3=25欧姆 C1=442e-09F C2=1e-9F C3=442e-9F补偿器伯德图为：图13 补偿器的伯德图加入补偿器后：图12 加入补偿器后系统的伯德图相角裕度到达91.8度，幅值裕度到达30分贝，符合设计要求。（所用MATLAB程序见附录）4.3控制器实现电位器W1的中间引脚(电位器的2号引脚)原来接TL494 3号脚，现在变为接与2号脚相连的R1的输入端。按照计算所得的数据连接电路图，调试运行良好。在数据测试的过程中，不但测试了输出为9v，还测试了输出为8v，以及纹波电压等数据，详细见下表：表5 闭环测试表电源电压（v） 设定值（v） 理论输出（v） 实际输出（v） 误差 121.4798.18 9.1% 131.4798.446.2%141.47 98.485.7%151.47 98.505.6%161.47 98.51 5.4%171.47 98.51 5.4%181.47 98.52 5.3%191.47 98.54 5.1%141.17 87.50 6.2%151.17 87.67 5.4%161.17 87.66 5.5%171.17 87.66 5.5%181.17 87.67 5.4%纹波电压:v=8mv4.4 缓冲电路设计 反馈回路完成之后，经过何老师验收通过。之后，我们又做了MOSFET的RC缓冲电路。缓冲电路是并联在半导体开关管上起保护和改善开关性能的电路。作用如下：【4】 1)降低或消除电压、电流尖峰；(2)限制 dldt或 dVdt；(3)使系统运行在安全操作 区(SOA)内；(4)把开关功率损耗转移到电阻或有用负载上；(5)降低总 的开关损耗 ；(6)通过钳位 电压 和电流振荡降低 EMI。 通过查阅资料和计算，我们将一个1nF的电容和10欧姆的电阻串联起来之后，并联在MOSFET上。做了缓冲前后的输出电压分别如图12和图13.可以看出，做了RC缓冲之后输出电压质量得到明显的提高。图13 缓冲之前输出电压波形图14 缓冲之后输出电压波形4.5 闭环控制原理校正原理：由于H（s）=0.164，故：Rs=0.164*Vo.例如当2号脚电压为1V时，期望的输出电压即为6.10V。当系统输入电压调高或者调低时，输出电压Vo通过反馈回路与给定信号比较，产生的偏差输入校正器。校正器通过积分作用产生补偿信号在输入PWM控制器，使PWM控制器的误差信号做出相应变化。当输入电压调高时，变低，开关信号的占空比随之变小，输出电压Vo保持不变。当输入电压调低时，变高，开关信号的占空比随之变大，输出电压Vo保持不变。接上反馈回路和补偿器后，调节2号脚电位器使给定电压为1.47V。期望的输出电压为9v。实际输出电压，由于MOSFET问题无法达到这个值。比预设值偏小一点，详见闭环测试表。5 问题和总结课程设计过程中遇到的问题及解决：1. 在焊接电路板时，为了避免电路的干扰问题，尽可能地减小杂散电感和杂散电容【4】接线要尽可能的短，元件要适当的远离。2. 在接线的过程中，为了方便检查，我们接地线用了统一的黑色，电源线用了红色。而中间接线通用了黄色。总结：大二暑假，我们开始了电力电子课程设计课程。此次电力电子课程设计我们组虽然完成的比较快，只用了一天半的时间，加上验收有仅仅花了两天多一点的时间。但是，在这几天里，我学到了很多知识。这次课程设计是对我们所学课程的一次检验，更是一次实际应用。通过此次课程设计，使我们对“电力电子技术”还有“自动控制原理”等课程有了更深入的了解。使我们不单单局限于书本上的知识，使我们学会如何将理论知识与实际应用结合起来。更让我们看到了理论和实践的差距，锻炼了自己解决实际问题的能力。在此次课程设计过程中，我遇到的问题还是很多的。一开始拿到这个题目时，不知道如何下手，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠自己所学的知识根本解决不了，我们去图书馆以及网站找了很多资料，包括焊接电路时的要点，以及要注意的东西。电路调试的过程中，要学会保护自己电路板以及上面的器件，避免让其大电流长时间工作等等。很多都是课本上没有的东西，但是在这次课程设计中发挥了很大的作用，也使我感觉特别充实。然后在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不深刻，掌握得不牢固，以后还要努力。通过这次课设，发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。注:验收文件分散在了论文中，没有单独列出。参考文献：1 王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京.机械工业出版社,2010.1.2 李牛，Motorola TL494手册.3 胡寿松.自动控制原理M.北京.科学出版社,2007.6.4 杨凤彪, 杨怡君, 闫英敏, 赵霞.RC缓冲电路的优化设计.2008.5附录：所用MATLAB程序代码如下：clc;clear all;%LCfsVmVgRHVoIo%dIdI_maxduL=332.5*10(-