基于单零单极点控制方式的4A开关电源仿multisim仿真研究

1、基于单零单极点控制方式的4A开关电源仿multisim仿真研究 学院： 电气与光电工程学院 专业： 电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号： 13目录一、课题背景11.1、BUCK电路分析11.2、BUCK开关电源的应用2二、课题设计要求4三、课题设计方案43.1、系统的组成43.2、主电路部分的设计53.2.1、RC和C的计算53.2.2、滤波电感L的计算53.2.3、主电路开环系统的仿真63.3、闭环系统的设计73.3.1、GO(s)的计算73.3.2、补偿控制器的设计73.4、闭环系统的仿真103.4.1、参数设置103.4.2、不加干扰时的电路仿真113.4.3、加干扰时的电路仿真1

2、2四、总结及心得体会13参考文献14附录15一、课题背景1.1、BUCK电路分析图1.1 BUCK电路图通过分析图1.1可知，1、零时刻开关管导通电源E向负载供电，负载电压U0=E，负载电流呈指数曲线上升见式1-1。 （1-1）此时电感储能如式（1-2）。 （1-2）2、t1时刻控制开关管关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压U00，负载电流呈指数曲线下降见式（1-3），为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值较大的电感。图1.2 二极管续流图 （1-3） 通过波形可算出BUCK电路Ud、占空比、计算过程见式（1-4）。 （1-4）1.2、BUCK开关电源的应用随着开关电源技术的迅速发展，D

3、C/DC开关电源已在通信、计算机以及消费类电子产品等领域得到了广泛应用。近年来，电池供电便携式设备的需求越来越大，对DC/DC开关电源的需求也日益增大，同时对其性能要求也是越来越高。广泛应用于各种电子设备、仪器、家电，如笔记本和台式电脑的电源，电视机、DVD播放机的电源，以及家用空调器、电冰箱的电脑控制电路的电源等。随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人的工作、生活的关系日益密切，电力电子设备都离不开可靠的电源。进入20世纪8O年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代；进入20世纪9O年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域或程控交换机、通讯、电力检测设备，控制

4、设备电源都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电子技术控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电一般由脉冲宽度调制控制IC和MOSFET构成。 开关电源和线性电源相比，二者都随着输出率关上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，成本反转点日益向低翰出电力端移动，这为开关电源提供了广阔发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小犁化，拜使开关电源进入更广泛的应用领域。特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的

5、发展与应用，在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。开关电源通常由六大部分组成：第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正，是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路

6、。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。开关稳压电源（简称开关电源）是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源

7、逐步向高频化方向发展。高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 开关稳压电源具有，效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点，而被广泛使用在各个行业和领域中。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压，通常有三种调制方式: 脉冲宽度调制( P W M )、脉冲频率调制( P F M )和混合调制。P W M调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式，因为周期恒定， 滤波电路的设计容易，是应用最普遍的调制

8、方式。开关稳压电源的主回路框图如图 所示，由隔离变压器产生一个18 V的交流，经过整流滤波成一个直流，然后再进行DC- DC变换，有P W M 的驱动电路，去控制开关电源管的导通和截止，而产生出一个稳定的电压源。二、课题设计要求1、输入直流电压(VIN)：15V2、输出电压(VO)：5V3、输出电流(IN)：4A4、输出电压纹波(Vrr)：50mV5、开关频率(fs)：100kHz6、负载突变为80%的额定负载7、电流脉动峰-峰值： 8、 BUCK主电路二极管的通态压降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70*F9、采

9、用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸。三、课题设计方案3.1、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做成相应调整来消除偏差。图3.1 系统组成图3.2、主电路部分的设计图3.2 BUCK电路图3.2.1、RC和C的计算输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关,电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为5080*F。本次设计中取为70*F。 计算出RC和C的值。 （

10、3-1） 3.2.2、滤波电感L的计算已知BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V, 开关频率(fs)：100kHz开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(3-2)、(3-3)所示：-=D(3-2) (3-3) (3-4)可得TON=3.73S，将此值回代式(2)，可得L=43.8H。3.2.3、主电路开环系统的仿真图3.3 开环系统的仿真图占空比为，周期为10S，经过仿真得到电压输出5v,电流输出4A，输出电压纹波50mV符合要求，电流脉动峰-峰值： 。图3.4 开环输出图3.3、闭环系统的设计3.3.1、GO(s)

11、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： （3-5）其中为锯齿波PWM环节传递函数，近似成比例环节，为锯齿波幅值Vm的倒数。为采样网络传递函数，Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻，为开环传递函数。将Vm=1.5V,H(S)=0.3,Vin=15V,C=1.12mF,Rc=50m，L=43.8H，R=1.25，Rx=3k,Ry=1.3 k代入传函表达式，得到： 图3.5 开环bode图由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。3.3.2、补偿控制器的设计图3.6 系统组成图图3.7 补偿器电路图根据电路KCL列出下列方程：由上式解得传递函数： 由传

12、递函数可得零点极点，; （3-10） 先将R1取1 k，然后根据公式可推算出R2，C1，C2，进而可得到Gc（S）。依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：G(s)=GO(s)Gc(s)。计算过程通过matlab编程完成（程序见附录）。计算结果如下。根据闭环传函，绘制波德图，得到相角裕度，验证是否满足设计要求。R2 = 32.875 kC1 = 1.12e-10C2 = 6.755e-09传递函数（Transfer function）: 闭环传递函数（Transfer function）: 根据闭环传递函数，在穿越频率（幅频曲线过零点处）时相位为-124，相角裕度为180-124=56

13、，绘制波德图，得到相角裕度56满足要求。图3.8 补偿器bode图图3.9 闭环bode图3.4、闭环系统的仿真3.4.1、参数设置5S1.5图3.10 三角波细节图使调节波动不大，调节三角波发生器设置如下图。图3.11 三角波仿真图把下列数值带入仿真电路图中Vm=1.5V,H(S)=0.3,Vin=15V,C=1.12mF,Rc=62.5m，L=43.8H，R=1.25，Rx=3k,Ry=1.3 k。对闭环系统进行仿真（不含干扰负载），使参数符合控制要求），并记录波形。经过调试，3.4.2、不加干扰时的电路仿真大概0.005秒后就达到稳定，电压稳定在所要求的8v，由于负载电阻为0.8，所以电

14、流稳定在10A，局部放大后可观察到电压在7.958.05之间，符合设计要求。图3.12 不加干扰时的电路仿真图图3.13 不加干扰时的输出图3.4.3、加干扰时的电路仿真系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。其中采用压控开关S1实现负载的突加、突卸,通过并联0.238来实现。图3.14 加干扰时的电路仿真图图3.15 加干扰时的输出图四、总结及心得体会这次设计是通过设计补偿电路使系统稳定工作的，通过几天的计算调试工作终于实现了设计要求的电压和电流，并且在外界可能的干扰下也能保持稳定输出。这次设计的所需知识包括：电路、模拟电子技术、自动控制原理，计算机控制、电力电子技术，通

15、过这次设计，把这些知识融合在一起去搭建一个具有实际价值的东西开关电源，有实际价值的东西的设计总是令人感兴趣。因为本次设计时间有限，有的地方仍然不能理解，但是知道了自己在那些方面有不足，接下来就可以去学习消除不足，使自己变得更好。当然通过这个实验我知道了成功是建立在失败的基础之上的，没有不经历失败就可以直接把实验做成功的；这个实验更加让我对multisim软件的学习与应用,从拿到课设题目时一筹莫展，到做着做着渐渐清晰起来；从分析到实干，就这样一步一个脚印踏踏实实的走，就实现了本次课程设计，所以说不要眼高手低，试着去做才能知道不足的地方在哪，进而才能去改正。参考文献1. Switching Power Supply DesignAbraham I.Pressman,王志强等译2.微电子电路Kenneth C.Smith ，2002年 ，电子工业出版社3.模拟和数字电子电路基础，Anant Agarwal，2008年，清华大学出版社5.信号与系统奥本海默，2001年，西安交通大学出出版社6. Fundamentals of Power Electronics Robert W.Erickson7.电路尼尔森美，2002年，电子工业出版社附录闭环伯德图clc;clear