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48V，

2、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： 10dB3 、BUCK主电路主电路的相关参数：开关周期： TS= 1 =4× 10-6 sfs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 I O=5A纹波电流：i L=0.25A纹波电压：VL=100mV电感量计算：由i L= V in - max - vo DTS 得：2LL= V in - max - vo DminTS=5324

3、×0.4528 × 4× 10-6 =1.05 × 10-4 H2i L20.25电容量计算：由VL= i L TS 得：8CC=iLTS= 0.25×4×10-6 =1.25 × 10-6 F8VL8 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120F。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

4、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取 RESR=50m， R=4.8， C=120 F， L=105H， 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)&g

5、t;> 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 PW

6、M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 i L 逐渐增加，当 i L 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。则该框图的闭环增益为：TGvd(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

7、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bc'-c90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 fc15.5kHzc163K23.1138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、