BUCK开关电源的应用

1、目 录第1章 课题背景11.1 BUCK电路的工作原理11.2 BUCK开关电源的应用1第2章 课题设计要求1第3章 课题设计方案13.1 参数13.2 系统的组成23.3 主电路部分的设计23.3.1 滤波电感的计算33.3.2 滤波电容的计算33.4 开环系统的分析33.4.1 开环原始传递函数的计算33.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图43.5 闭环系统的设计43.6 双极点双零点补偿控制器的设计53.6.1 补偿网络电路的原理分析53.6.2 补偿器伯德图73.6.3 加入补偿器后系统伯德图分析83.7 闭环系统的仿真93.7.1 电路模块的添加93.7.2 仿真电路

2、参数的设置93.7.3 仿真结果10第4章 总结心得10第5章 参考文献11第6章 附录11第1章 课题背景1.1 BUCK电路的工作原理BUCK开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压。1.2 BUCK开关电源的应用开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。它巨大的作用决定了对它研究的意义。第2章 课题设计要求1. 根据设计要求计算滤波电感

3、和滤波电容的参数值，完成开关电路的设计2. 根据设计步骤和公式，设计双极点-双零点补偿网络，完成闭环系统的设计3. 采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型4. 观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形第3章 课题设计方案3.1 参数图3-1 Buck变换器主电路图11、 输入直流电压(VIN)：32V。2、 输出电压(VO)：18V。3、 负载电阻：3。4、 输出电压纹波峰-峰值Vpp50mV ，电感电流脉动：输出电流的10%。5、开关频率(fs)：80kHz。6、BUCK主电路二极管的

4、通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为75。7、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S。当s导通时有： （） （1）当s关断时有： （2）t与的关系： （3）3.2 系统的组成整个BUCK电路包括Gc(S)为补偿器，Gm（S）PWM控制器，Gvd（S）开环传递函数和H(S) 反馈网络。采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWM控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压Uo做成相应调整

5、来消除偏差。系统传函框图：3-2。 图3-2 系统传函框图3.3 主电路部分的设计3.3.1 滤波电感的计算由公式，其中 （4），其中，R=3 （5） （6）设计要求中，求得，。3.3.2 滤波电容的计算由前面的公式（1），（2），（3）及一些参数，。算得：，。3.4 开环系统的分析3.4.1 开环原始传递函数的计算采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为： （7）其中， （8）其中，是分压电阻，它们的取值是不固定的，但是他们的单位要是级的，这样整个电路的误差会小。此次设计，它们的单位是。 （9）将数据代入公式（7），得 =3.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角

6、裕量的分析图将的表达式输入到MATLAB软件中，可以得到如图3-3所示的伯德图，由图可知=25.6deg。相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。 图3-3 开环原始传递函数的伯德图3.5 闭环系统的设计 图3-4 闭环系统结构框图图3-4中包含输入电源，滤波电感，滤波电容，负载，脉冲信号，续流二极管，参考电压以及一些传递函数。3.6 双极点双零点补偿控制器的设计3.6.1 补偿网络电路的原理分析图3-5 有源超前-滞后补偿网络电气图图3-5中的有源超前-滞后补偿网络电路由一些电阻和电容的串并联组成，通过数电与模电的知识可以得到它的传递函数表达式： （10）有源超前-滞后补偿网络有两个

7、零点、三个极点。 （11） （12） （13） （14） （15） （16）零点为： （17） （18）极点为：为原点 （19） （20）频率与之间的增益可近似为: （21）在频率与之间的增益则可近似为： （22）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）：kHz (23)开环传函的极点频率为： (24)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 (25)将补偿网络两个极点设为,以减小输出的高频开关纹波。 (26) (27)根据已知条件使用MATLAB程序算得校正器Gc（s）各元件的值如下（程序见附录），取R2=10000欧姆：=1.4259；=548.0150；=

8、18.2477；=7.6462e-008；=1.0902e-007；=1.9894e-010；=7.0133e+003。通过公式（10）得出：=3.6.2 补偿器伯德图 图3-6 补偿器伯德图 3.6.3 加入补偿器后系统伯德图分析图3-7 加入补偿器后系统的伯德图由图可知，在加入补偿器之后的=152deg,它远远大于未补偿之前的=25.6deg，相角裕度增加，达到设计的要求。3.7 闭环系统的仿真3.7.1 电路模块的添加在MATLAB软件中，点击Simulink,新建一个.mdl的文件，然后按照仿真电路图向其中添加相应的模块。本次的课程设计所需的模块大多数都在SimpowerSystem中

9、，如power,Mosfet,L,Relay,Rc,C,Pulse Generator,Ideal Switch,R,Voltage Measurement,Scope,Transport delay,gelding,Transfer Fcn,Saturation,3.7.2 仿真电路参数的设置输入的直流电压为18V。采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S。设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0

10、.006，积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为0.8349，下限为0.832，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为80kHz，幅值为14.4V的锯齿波。3.7.3 仿真结果图3-8 未加干扰仿真图图3-9 加干扰仿真图第4章 总结心得通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。本课程设计是在韩霞老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到最终的完成，韩老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，让我们获

11、益菲浅，并且将终生受用无穷。在此对钱老师表示最衷心的感谢！ 第5章 参考文献1 电力电子技术 王兆安 机械工业出版社 2 开关电源技术教程 张占松 机械工业出版社3 电源的计算机仿真技术 陆治国科学出版社4 电力电子技术计算机仿真实验李传琦电子工业出版社5 电力电子应用技术的MATlab仿真杜飞中国电力出版社6 电力电子技术的MATLAB实践黄忠霖国防工业出版社7 电力电子系统建模及控制徐德洪机械工业出版社第6章 附录附录1 MATLAB所用程序：clc;clear;Vg=32;L=1.624*10(-4);C=9*10(-4);fs=80*103;R=3;Vm=14.4;H=0.8;Rc=0

12、.083;G0=tf(C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm,L*C,L/R,1);figure(1);margin(G0);fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C);fg=(1/5)*fs;fz1=(1/2)*fp1;fz2=(1/2)*fp1;fp2=fs;fp3=fs;marg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp2/fg*marg_GR2=10*103;R3=R2/AV2C1=1/(2*pi*fz1*R2)C3=1/(2*pi*fp2*R3)C2=1/(2*pi*fp3*R2)R1=1/(2*