电压环与电流环设计报告

电压环与电流环设计报告
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控制电路设计
一、电流环的设计
电流环的设计核心是控制主电路上电感电流的平均值，使它处于稳定状态，根据主电路与设计思路得电流控制环的系统框图如下：
-
+
Vcv PI 1/Vs
Vd
Vo
+
-1/SL
IL
K1
其中Vcv 为电压环的输出电压（即系统的参考电压），Vs 为锯齿波的幅值，IL 为电感上的电流，K1为采样的放大倍数。

设置PI 为单零点—单极点补偿网络。

如下图所示：
R1
R2C1
-+
因为系统的开关频率为100KHZ ，为了避免开关频率对控制环路的影响，穿越频率fci 必须远远小于开关频率，当然为了对系统动态响应的速度，我们希望fci 越大越好，在一般的开关电源中，fci 都小于开关频率的1/10，此处我们设置为开关频率的1/10，即10KHZ 。

补偿网络的传递函数为：211111
()R C S G s R C S
+= , 由系统框图可以得系统的开环传递函数为：21211(1)11
()1S R C S G S K R C S V SL
+=
， 式中：Vs=5V ；L=15uH;
K1=1/100; S=jw;代入上式，当fci=10KHz 时，2()G S =1，令补偿零点角频率1211w R C =
在fci/2处，即121
1
w R C ==5KHz ，经计算得11R C =62.710-⨯,21R C =4210-⨯,所以
2
1
R R =74，令1R =1K ，得2R =74K ，1C =2.7 nf, 代入得开环传递函数为：224
5000
()/10
S G S S -+=，经MATLAB 画出BODE 图如下：
从上图可以看出，在(1/2)fci 频率处，开环传递函数的斜率由-40dB 变成-20dB ，可以达到较快的动态响应，由于传递函数以-20dB 的斜率穿越0dB 线，也可以获得足够的相位裕量（64度）。

同时由于从0Hz~(1/2)fci 之间，开环传递函数以-40dB 斜率衰减，可以获得很高的静态增益，从而使得静态误差非常的小。

根据乃奎斯特环路稳定性判据，系统是稳定的，设计也合理。

二、电压环的设计
在电压环的设计中，电流环可视为控制对象的一个环节，因此先得求取电流控制环的闭环传递函数，由前面的电流控制环的开环传递
函数2245000()/10S G S S -+=
得闭环传递函数为：3
245000
()/105000
S G S S S -+=++，同理MATLAB 得其BODE 图如下：
根据该闭环传递函数的BODE 图，为了便于分析我们用传递函数
44
1
()1/10G S S =
+近邻代替它来处理，4()G S 的BODE 图如下所示：
再根据整个电路，可以得电压环控制系统的构图如下 ：
PI CA 1/SC K2
K2+
-
Vref
Vo
框图中Vref 为系统给定电压（2.5V ）,CA 电流环控制单元，K2为输出电压采样放大倍数，Vo 为输出电压，1/SC 为输出阻抗。

PI 调节器采用与电流环结构一样的单极点—单零点补偿网络，如下图所示：
R3
R4C2
-+
由于在fci 以下，电流环增益为1，相位为0，在电压环的设计中，电流环为单位1，为了使整个系统得到较高的中频带宽，设电压环的穿越频率fcv=1KHz,电压环PI 补偿零点角频率242
1
w R C ==(1/2)fcv,设计方法与电流环的设计一样：
在f<fci 下，系统的传递函数为：42532(1)1
()2R C S G S K R C S SC
+=
， 其中
K2=2.5/12=1/4.8,C=4700uf, S=jw ，当fcv=1KHz 时，5()G jw =1，代入
计算得42R C =1/500，32R C =59.9110-⨯，所以
4
3
R R =20，取3R =1K ，
4R =20K ，2C =0.1uf,将计算结果代入523500
()/(1.1210)
S G S S -+=
⨯，得BODE 图如下：
由此得出的结果与电流环控制环类似，系统是稳定的。

当f>fci 时，把整个电流环加入系统中，得整个电压环的开环传递函数为：
6234
5001
()/(1.1210)1/10S G S S S -+=
⨯+，得到BODE 图如下：
由整个BODE 图可知，系统在0—500Hz 时以-40dB 斜率下降，具有较高的静态
增益，从而使得静态误差非常的小，在(1/2)fcv(500Hz)频率处，开环传递函数的斜率由-40dB 变成-20dB ，并以-20dB 的斜率穿越0dB 线，可以获得足够的相位裕量58度。

当f>fci 时，开环传递函数的以-40dB 斜率下降，从而系统有较大的抗干扰能力。