BUCK变换器设计

1、BUCK变换器设计报告一、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。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、主电路的设计指标输入电压：标称直流

2、48V，范围 4353V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、BUCK主电路主电路的相关参数： 开关周期： TS=1 =410-6sfs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： 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= V in - max - vo DTS得：2LL= Vin - max - vo DminTS= 53 24 0.452

3、8 410-6=1.0510-4H2 iL2 0.25电容量计算：由 VL=iL TS 得：L 8C SC= iL TS= 0.25 4 10-6=1.25 10-6F8 VL 8 0.1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，

4、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取 RESR=50m， R=4.8，C=120F，L=105 H，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) 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：电流 I1 波形如

5、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 电压型：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

6、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。则该框图的闭环增益为： T Gvd(s)H(s)Gc(s)GPWM三、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 b c- c 90 基于确定 K值， PID 调节器公式为： 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： 校正环节传递函数如下为：取 fc 15.5kHz163 K 23.113计算得校正环节传递函数为四、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五、PSIM仿真结果1、带有 PID 调节器的 PSIM电路如下所示：2、将 R1、R2、R3