Buck电路的设计与仿真闭环设计及仿真

会计学1Buck电路的设计与仿真闭环设计及仿真DC-DC电路(Buck)的设计与仿真开环设计；开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；闭环设计与仿真；闭环仿真；元件级设计与仿真。第1页/共52页四、电路闭环设计闭环控制的基本概念与控制框图PWM型DC-DC变换器的状态空间平均法及低频小信号模型闭环控制系统的补偿第2页/共52页闭环控制的基本概念第3页/共52页控制框图（例1）第4页/共52页控制框图（例2）第5页/共52页

四、电路闭环设计闭环控制的基本概念与控制框图PWM型DC-DC变换器的状态空间平均法及低频小信号模型闭环控制系统的补偿第6页/共52页AverageModel第7页/共52页状态空间平均法：(1)状态方程（1）理想器件假定基础上,

CCM下的Buck型DC-DC变换器，可用两个线性时变电路来等效；状态方程分别为：第8页/共52页状态空间平均法：(2)稳态平均（2）基于变换器低通滤波器转折频率fc<<开关频率fs的假定，将状态方程在时间空间上的平均：稳态条件下：第9页/共52页状态空间平均法：(3)扰动并分离稳态量（3）基于扰动信号频率fp<<开关频率fs的假定，在稳态量基础上进行低频小信号扰动。分离稳态量：将扰动量代入基本状态变量方程，并将稳态与动态量分离：第10页/共52页状态空间平均法：(4)方程线性化（4）线性化：基于扰动信号与稳态量相比为小信号的假定，由此可以忽略二阶微小量，可得到描述变换器动态低频小信号行为的状态空间平均方程。第11页/共52页状态空间平均法：(5)求解方程在S域求解状态方程：可求得变换器的等效传递函数，如输入到输出的传递函数、控制到输出的传递函数。第12页/共52页稳态和低频小信号等效电路模型小信号控制作用：由两个与占空比扰动量有关的受控源组成，表示占空比的小范围扰动对输出电压和输入电流的影响。直流变换作用：理想变压器，表示不考虑寄生参数时变换器的理想稳态电压变比。低通滤波作用：滤波器的滤波作用，虚线框中的连接方式只是表示了一种低通滤波器的连接方式。等效电路可由四个参数来表征。第13页/共52页基本理想变换器的统一等效电路模型参数第14页/共52页根据等效模型求解传递函数第15页/共52页Buck变换器的传递函数TransferFunctionTransferFunction第16页/共52页Buck变换器控制到输出的传递函数,第17页/共52页Boost变换器的传递函数TransferFunctionTransferFunction第18页/共52页Boost变换器控制到输出的传递函数MovingPolesMovingRight-half-PlaneZero,第19页/共52页

四、电路闭环设计闭环控制的基本概念与控制框图PWM型DC-DC变换器的状态空间平均法及低频小信号模型闭环控制系统的补偿第20页/共52页控制目标FeedbackControltoAchieve:• Accuracy• Speed• Stability第21页/共52页open-loopaudio-susceptibilityopen-loopoutputimpedancecontrol-to-outputtransferfunctioncompensatorgainPWMgain控制框图及关键开环传递函数第22页/共52页Small-SignalPWMgain,FM调制环节传递函数第23页/共52页(1)(2)闭环传递函数：闭环音频衰减第24页/共52页From(3)and(2)(3)闭环传递函数：闭环输出阻抗第25页/共52页Highgain@lowfreq.Widebandwidth理想的环路增益特征第26页/共52页稳定裕量的概念第27页/共52页设计实例确定开环传递函数(MathCAD)(forward2008)增加检测及调制环节第28页/共52页30设计步骤开环传递函数检测及调制环节第29页/共52页设计步骤根据传递函数选择补偿环节确定补偿环节参数。确定开环截止频率(截止频率取1/4~1/5fs);，通过设计Gc(s)使开环传递函数满足fc（取20k）处0dB,斜率为-1；-30.7dB，Gc(fc)=30.7dB，R2/R1，R1=1k，R2=34k，取33k；第30页/共52页设计步骤确定补偿环节参数。确定开环截止频率(截止频率取1/4~1/5fs)，通过设计Gc(s)使补偿后满足低频零点fz，增加低频增益并降低低频纹波，设置极点fp以减小高频噪声（但会引起相位滞后）。允许的相位滞后：180-45-83（LC滤波器自身的相位滞后）=52。根据Venable的方法，选定K=fc/fz=fp/fc,对应不同的K值，该滞后补偿环节引起的fc处的相位滞后为下表。由此可选K=2，为保证相位裕量，建议取k=2.5。第31页/共52页33设计步骤（MathCAD）选择补偿环节确定开环截止频率(截止频率取1/4~1/5fs);，通过设计Gc(s)使开环传递函数满足因此fz=8k，可得C1=60n，取62nF；fp=50k，C2=96p，取100pF；绘制补偿后的开环传递函数幅相特性曲线，最终可得fc=18k，相角裕量61.5度第32页/共52页补偿后的开环传函幅相特性曲线第33页/共52页滞后环节的特性K相位滞后2532.543336428第34页/共52页36设计步骤验证与调整：时域仿真与实验验证？。结论补偿器在低频处有一个极点，通过提高误差放大器的开环增益改善输出调节性能，并降低低频纹波；在输出滤波器最低极点频率或以下引入一个零点，以补偿滤波器极点引起的相位滞后；补偿器的最后一个极点用来衰减高频分量，以抵消输出滤波电容ESR引起的零点作用第35页/共52页闭环控制系统的设计推导变换器的小信号模型，得出控制到输出的传递函数；（仿真验证—小信号分析）得出系统开环传递函数，给出Gc(s)=1时的Bode图；选择合适的补偿环节；根据一定的准则（要求）设计补偿环节参数；验证MathCAD绘制Bode图交流小信号分析时域仿真forward_cl_11第36页/共52页小结闭环控制的基本概念。掌握闭环设计的基本概念掌握滞后环节的控制器电路，了解闭环参数设计方法。参考书：蔡宣三、龚绍文、张卫平等关于建模的书籍作业：1：完成单端正激电路设计报告（含变压器与电感器的设计）；2.用分立元件搭建闭环控制仿真模型与闭环仿真文件：buck_cl_1。第37页/共52页第二章

DC-DC电路(Buck)的设计与仿真第38页/共52页DC-DC电路(Buck)的设计与仿真开环设计；开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；闭环设计与仿真；闭环仿真；元件级设计与仿真。第39页/共52页三、闭环设计与仿真闭环控制的基本概念PWM型DC-DC变换器控制框图PWM型DC-DC变换器的低频小信号模型闭环控制系统的设计与控制系统频域仿真第40页/共52页平均模型的频域分析:交流小信号分析概念交流小信号分析是一种线性频域分析。程序在电路直流工作点的基础上，确定电路中非线性器件的线性化模型参数，然后在用户指定的频率范围内，对此线性化电路施加小信号扰动，进行频率扫描分析。交流小信号仿真分析可得到电路的幅频和相频响应特性。第41页/共52页计算控制电压Vc并仿真验证建立仿真模型（平均模型forward_avg4）仿真分析开环时域仿真（验证Vc及开环可工作，观测电感电流和输出电压消除了开关过程影响）。第42页/共52页平均模型的频域分析：执行仿真ExecutinganACAnalysisSetBreakpoint=ACvoltagesourceBasic:StartFrequency,EndFrequency,IncrementType,samplepointdensity;numberofpoints;Input/output:InitialPointFilefield(tr1,tr2,etc.).ViewingtheSmallSignalAnalysisResultsselectandplotthesignals(vout,etc.)MeasuringACAnalysisResultsExecutingtheaveragemodelswithdifferentcapacitorESR(openloop).第43页/共52页VerifyingtheFeedbackCompensationFrequencyResponseChangetheinputsourcetocontrolsignalSetBreakpoint=user3(control)Determinethetime-domain(transient)response(endpointfiletr2)willbeusedasinitialpointfileinacanalysis.ChangetheinputsourcetotheaveragemodelSetBreakpoint=user2(acvoltagesource)AnalyzethefrequencyresponsePlotfileac2,initialpointfiletr2ViewingtheSmallSignalAnalysisResultsselectandplotthesignals(vout,vc2etc.)第44页/共52页验证系统参数（时域仿真）Saber中的状态空间平均模型（概念与模型）；计算控制电压Vc，验证模型正确性（开环仿真）；平均模型的频域分析（控制到输出的幅相特性曲线）（开环仿真）；设计闭环补偿环节（已完成）；开环与闭环频率响应仿真（交流小信号模型）；验证系统参数（时域仿真）。第45页/共52页元件级设计与仿真开环设计；开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；闭环设计与仿真；元件级设计与仿真。第46页/共52页四、元件级设计与仿真主电路的元件级设计控制电路和驱动电路的设计（补偿环节、调制环节原理与设计，PWM控制芯片，驱动信号的隔离与放大）其他辅助电路设计（吸收电路等）闭环控制系统的元件级仿真第47页/共52页主电路的元件级设计与仿真主电路元器件开关管、二极管、高频变压器、滤波电感、滤波电容仿真分析电应力分析（电压尖峰、电流尖峰）第48页/共52页控制电路和驱动电路的设计补偿环节调制环节原理与设计验证Vc；验证闭环设计（瞬态分析）PWM控制芯片（SG3525等）驱动信号的放大；隔离方式；第49页/共52页闭环电路仿真调试思路子系统系统理想器件模型主电路开环仿真SG3525SG3525+理想器件模型主电路开环仿真SG3525+理想器件模型主电路闭环仿真实际器件模型主电路开环仿真SG3525+实际器件模型主电路开环仿真（VCVS）SG3525+