BUCK变换器设计

实用文档 标准文案 BUCK 变换器设计报告 1 BUCK 变换器原理 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 2 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 对设计电路进行设计 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 实用文档 标准文案 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 3 BUCK 主电路 主电路的相关参数 开关周期 TS 4 10 6s sf 1 占空比 当输入电压为 43V 时 Dmax 0 55814 实用文档 标准文案 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 iL 0 25A 纹波电压 VL 100mV 电感量计算 由 iL DTS得 2L v Vomax in L DminTS 0 4528 4 10 6 1 05 10 4H L omax in i2 v V 25 0 2 2453 电容量计算 由 VL TS得 C iL 8 C TS 4 10 6 1 25 10 6F L L V8 i 1 08 25 0 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 通常钽电容 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 我们可以采用电容并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 实用文档 标准文案 in ESR ESR V sC RRsL sC RR sd 1 1 sV sG O vd s 1 C1 1 sG 2 vd CR R L R R Ls VCsR ESR ESR inESR in 00 2 V Q ss 1 1 G 2 z vd s s ESR z CR 1 R R 1LC 1 ESR 0 C R R L 1 Q ESR 0 取 RESR 50m R 4 8 C 120 F L 105 H Vin 48V 可得传递函数为 1107875 21027313 1 481088 2 G 528 4 vd ss s s 在 MATLAB 中根据开环传递函数画出 Bode 图 clear num0 2 88e 4 48 实用文档 标准文案 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 实用文档 标准文案 电流 I1 波形如下 电压 V1 波形如下 实用文档 标准文案 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 实用文档 标准文案 电流型 电压型控制原理是将开环电路的输出电压进行采样 采样 实用文档 标准文案 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 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 GPWM为调节器 H 为反馈因 子 实用文档 标准文案 则该框图的闭环增益为 PWMvdG s H s GTsGc 3 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 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 90 ccb 基于确定 K 值 PID 调节器公式为 实用文档 标准文案 K 1 tan Ktan2 11 b 44 tanK b 基于 K 因子确定补偿器的零点 极点位置 并计算调 节器参数 公式为 1 G K 321b c CCR 12 1 2 1 f CR fKcp 32 32 3 2 C 2 1 f CC C R fKcp 2 1 f 211 1Z RRCK fc 33 c Z2 2 1 K f f CR 校正环节传递函数如下为 2 1 2 1 2 1 2 1 G 21 21 c pp ZZcb f s f s f s f s sK G s 实用文档 标准文案 取 15 5kHzfc 163 c 1138 23K 计算得 5500R1 7196 248R2 5964 27393R3 nF5873 8 C1 nF101493 8C 2 2 nF8021 1 C3 校正环节传递函数为 2 2 c 07 468217 1 04 20257 1 1138 23 86 2231063 G s s s s 4 MATLAB SISOTOOL 利用以上求得的数据 用 MATLAB 的 SISOTOOL 工具箱可以 画出加入补偿器后的传递函数 BODE 图如下 幅值裕量 相角裕量均满足设计要求 实用文档 标准文案 5 PSIM 仿真结果 1 带有 PID 调节器的 PSIM 电路如下所示