BUCK开关电源的应用.

第1章课题背景 (1)

1.1 BUCK电路的工作原理 (1)

1.2 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 (1)

3.1 参数 (1)

3.2 系统的组成 (2)

3.3 主电路部分的设计 (2)

3.3.1 滤波电感的计算 (3)

3.3.2 滤波电容的计算 (3)

3.4 开环系统的分析 (3)

3.4.1 开环原始传递函数的计算 (3)

3.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图 (4)

3.5 闭环系统的设计 (4)

3.6 双极点双零点补偿控制器的设计 (5)

3.6.1 补偿网络电路的原理分析 (5)

3.6.2 补偿器伯德图 (7)

3.6.3 加入补偿器后系统伯德图分析 (8)

3.7 闭环系统的仿真 (9)

3.7.1 电路模块的添加 (9)

3.7.2 仿真电路参数的设置 (9)

3.7.3 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

1、输入直流电压(VIN)：32V 。

2、输出电压(VO)：18V 。

3、负载电阻：3Ω 。

4、输出电压纹波峰-峰值Vpp ≤50mV ，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75F u *Ω。

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：t i on ll o in d d L V V V V +++= （on

t iL t I

d d ?=）（1）当s 关断时有：D ll o off

V V V t I

++=? （2） t 与s f 的关系：s

off on f t t 1=

+ （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L

c I V R ?=

，其中N L I I 1.0=? （4） R

V I o

N =

，其中v V o 18=，R=3Ω （5） F u R C c Ω?=?75 （6）

设计要求中mv V rr 50=，求得Ω=

c R ，F C 4^10*9-=。 3.3.2 滤波电容的计算

由前面的公式（1），（2），（3）及一些参数v V IN 32=，v V O 18=，v V L 5.0=，

v V On 5.0=，v V D 5.0=。算得：s t on 6^10*27.7-=，s t off 6^10*23.5-=，

H L 4^10*62.1-=。

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G O (s)为：

（7）

其中ref m V V =，y

x y o refr R R R V V +=*

（8）

其中x R ，y R 是分压电阻，它们的取值是不固定的，但是他们的单位要是ΩK 级的，这样整个电路的误差会小。此次设计

=y x R R ，它们的单位是ΩK 。 y

x y R R R s H +=

)( （9）

将数据代入公式（7），得

^1094^1062.13

4^1062.11)12

110*91(3218

21)(20-?*-*?+-?+??

+??

?=s s s s G

5^104.57^10458.178

.14^1033.12+-?+-?+-?s s s

3.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图

将)(0s G 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m P =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：)(s G c

211332*********

(1)[1()]

()[()](1)(1)c sR C s R R C G s R C C sR C C s sR C C C +++=

++++ （10）

有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。

Hz LC f p p 51.4164

^1094^1062.114.321

212,1=-??-???==π （11）

Hz C R f c ZO 67.21314

^10912

114.321

21=-????==

π （12） Hz f f po Z 38.31251.41675.075.01=?== （13） Hz f f po Z 51.4162== （14）

Hz f f ZO p 67.21312== （15）

kHz f f s p 402

8023

=== （16）零点为： 38.31221

21==C R f Z π （17）

51.41621

)(213

13312=≈+=

C R C R R f Z ππ （18）

极点为：

1p f 为原点

3221

C R f p π=

（19）

1212321

C C C C R f p +=

（20）

频率1z f 与2z f 之间的增益可近似为: 2

R AV R =

（21）在频率2p f 与3p f 之间的增益则可近似为：()2132

2133

R R R R AV R R R +=

≈+ （22）

考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取（s f 为开关频率）：

165

5===

s g f f kHz (23) 开环传函()o G s 的极点频率为：

Hz LC

f p p 51.4164

^1094^10624.114.321

212,1=-??-???=

π (24)

将()c G s 两个零点的频率设计为开环传函()o G s 两个相近极点频率的

，则 Hz f f f p p Z Z 26.20851.4162

212,121=?==

= (25) 将补偿网络()c G s 两个极点设为kHz f f f s p p 8032===,以减小输出的高频开关纹波。 1

221)2(R R

f j Gc f f AV

g g Z ===π (26)

22)2(R R f j Gc f f AV g g

p =

π (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：

1AV =1.4259；2AV =548.0150；3R =18.2477；1C =7.6462e-008；3C =1.0902e-007；

2C =1.9894e-010；1R =7.0133e+003。

通过公式（10）得出)(s G c ：

)(s G c =s

s e s e s s e 0005736.0009136.2015122.21

001531.0007862.5232+-+-++-

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

p=152deg,它远远大于未补偿之前的由图可知，在加入补偿器之后的

P=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，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

①输入的直流电压为18V。

②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。

③设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。

④设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.006，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*10^3;R=3;Vm=14.4;H=0.8;Rc=0.083; 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;

A V1=fz2/fg*marg_G

A V2=fp2/fg*marg_G

R2=10*10^3;

R3=R2/A V2

C1=1/(2*pi*fz1*R2)

C3=1/(2*pi*fp2*R3)

C2=1/(2*pi*fp3*R2)

R1=1/(2*pi*fz1*C3)

num=conv([C1*R2,1],[(R1+R3)*C3,1]); den1=conv([(C1+C2)*R1,0],[R3*C3,1]); den=conv(den1,[R2*C1*C2/(C1+C2),1]); Gc=tf(num,den);

figure(2);

bode(Gc);

G=series(Gc,G0);

figure(3)

margin(G)

附录2 仿真电路原理图：