开关电源.基于PID控制方式的Buck电路的综合设计

目录

第一章绪论 (1)

1.引言 (1)

第二章实验目的 (2)

第三章实验要求 (3)

3.1设计指标 (3)

3.2 Buck主电路的参数设计 (3)

3.3用Matla软件参数扫描法计算 (4)

3.4原始系统的设计 (6)

3.5补偿网络的设计 (8)

3.6总电路图的仿真 (12)

第四章心得体会 ..................................................................................................................... . (14)

第一章绪论

1.引言

现代自动化控制中，参数的自动控制占有很大的比例，这些控制多采用P、I、D的组合通常情况下，对系统的动态过程利用微分方程经拉普拉斯变换导出时间函数，可得到输出量的时间函数，但要得到系统的动态响应曲线，其计算量庞大。因而在一般情况下对控制结果很难得到精确的预见。矩阵实验室（Matrix laboratory,MATLAB）软件是一个适用于科学计算和工程应用的数学软件系统，历尽20多年的发展，现已是IEEE组织认可的最优化的科技应用软件。该软件有以下特点：数值运算功能强大；编程环境简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，开关电源比普通线性电源体积小,轻便化，更便于携带。常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI控制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性；PID控制器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但实现与调试要复杂一些。本文中介绍基于PID控制器的Buck电路设计。

2.基于PID控制方式的Buck电路的综合设计

Buck变换器最常用的电力变换器，工程上常用的正激、半桥、全桥及推挽等均属于Buck 族。现以Buck变换器为例，根据不同负载电流的要求，设计功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。

第二章实验目的

(1)了解Buck变换器基本结构及工作原理；

(2) 掌握电路器件选择和参数的计算；

(3) 学会使用Matlab仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真；

(4) 学会使用Matlab仿真软件对控制环节的仿真技术；

(5)学会分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。

第三章 实验要求

3.1设计指标

输入直流电压(V IN )：15V ； 输出电压(V O )：5V ； 输出电流(I I N )：5A ； 输出电压纹波(V rr )：50mV ； 基准电压(V ref )：1.5V ； 开关频率(f s )：100kHz 。

Buck 变换器主电路如图3-1-1所示，其中Rc 为电容的等效电阻ESR 。

图3-1-1

3.2 Buck 主电路的参数设计

(1)滤波电容参数计算

输出纹波电压只与电容C 的大小有关及R c 有关：

0.2rr rr C L N

V V

R i I =

=∆ （1）

电解电容生产厂商很少给出ESR ，而且ESR 随着电容的容量和耐压变化很大，但是C 与R c 的乘积趋于常数，约为F Ω*80~50μ。本例中取为F Ω*75μ由式(1)可得R c =50m Ω，C=1500μF 。

(2)滤波电感参数计算

当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式（2）、（3）所示：

ON

L

ON L O IN T i L

V V V V ∆=--- （2）

OFF

L

D L O T i L

V V V ∆=++ （3） 假设二极管的通态压降V D =0.5V ，电感中的电阻压降V L =0.1V ，开关管的导通压降V ON =0.5V 。 又因为

s

ON OFF f T T 1

=

+ （4） 所以由式（2）、（3）、（4）联立可得T ON =3.73μS ，并将此值回代式(2)，可得L=35.062μH 。

3.3用Matla 软件参数扫描法计算

当L=35.062uH 时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图3-3-1所示。

图3-3-1

当L=15uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图3-3-2所示。

图3-3-2

当L=50uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图3-3-3所示。

图3-3-3

图3-3-3采用Matlab的参数扫描功能，有图可得，当L=35uH时，输出电流I IN=5A，输出电压U=5V。输出电压纹波V rr=50mV，所以选择L=35.062uH，理论分析和计算机仿真结果是一致的。

3.4原始系统的设计

(1)设计电压采样网络。在设计开关调节系统时，为消除稳态误差，在低频段，尤其在直流频率点，开环传递函数的幅值要远大于1，即在直流频率点系统为深度负反馈系统。对于深度负反馈系统，参考电压与输出电压之比等于电压采样网络的传递函数，即

0.3ref O

V H V =

= （5）

(2)绘制原始系统的Bode 图。假设电路工作于电流连续模式(CCM)，忽略电容等效串联电阻（ESR ）的影响，加在PWM 的锯齿波信号峰峰值为V m =1.5V ，R x =3KHz ，R y =1.3KHz ，采用小信号模型分析，给出Buck 变换器传递函数为：

2

00

01()1uo

p p T s T s s Q ωω=⎛⎫+

++

⎪ ⎪⎝⎭

（6）

式（6）具有双重极点，对应的控制对象是双重极点型控制对象。 交流小信号模型中电路参数的计算如下： 占空比 0.3O

IN

V D V =

= 直流增益 01

3u IN

M

T HV V ==，0020lg 9.5u u dB T T dB == 双重极点频率

000.692p p f KHz ωπ=

== 品质因数

0 6.5Q ==，0020lg 16.3dB Q Q dB == 其中，1O

L IN

V R I =

=Ω

，0 4.4p KHz ω==，根据上述计算结果可得到开环传递函数为：

()825

3

5.210 3.5101

T s s s --=

⨯+⨯+ （7）