buck电路设计

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1、Buck变换器设计作业一Buck主电路设计1.占空比D计算2电感L计算3电容C计算4开关元件Q的选取二. Buck变换器开环分析三. Buck闭环控制设计1.闭环控制原理2补偿环节Gc(s)的设计一一K因子法3PSIM仿真4.补偿环节Gc(s)的修正应用sisotool5修正后的PSIM仿真四标称值电路PSIM仿真五设计体会Buck变换器性能指标:输入电压：标准直流电压48V,变化范围：43V53V输出电压：直流电压24V，5A输出电压纹波：100mv电流纹波：0.25A开关频率：fs=250kHz相位裕度：60幅值裕度：10dBBuck主电路设计：1.占空比D计算DU24Vo0.558max

2、UinminU43V24V0.453DominUinmaxU53V24V0.5DonomU48V根据Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围。innom2.电感L计算(U-U)TLinmaxoon(min)2AiL(U-U)Dinmaxomin2AifLs105uH3电容C计算Ai0.25L8Avf8*0.1*250000s1.25uF电容耐压值：由于最大输出电压为24.1V，则电容耐压值应大于24.1V。考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故电容选取120uf/50V电容。4.开关元件Q的选取该电路的输入电压是43V53V，则开关官耐压值为53V,电流的取大

3、值为II+,i5A+0.255.25AQpoLMOSFET官MTD6N15T4G，其开关频率为f250KHz,因此选用的其额定值为150V/6A。Buck主电路传递函数Gvd（s）占空比d(t)到输出电压Vo(t)的传递函数为：1+S/3G(s)U_z,vdin1+s/Q3+S2/3200其中，LC(11esr1+R/R)esrQ3(L/R+RC)0esr取Resr=50mQ，负载R=4.8Q,又知L=105uH,C=120uF,可求得s0=8862.7rad/s,f0=0/2n=1410.5Hz,Q=4.0269,3z=166670rad/s,G(s)48*vdfz=sz/2n26526Hz

4、。1+s/1666701+s/(4.0269*8862.7)+S2/88627Buck变换器开环分析Matlab仿真频域特性如下bode图口ijmg/JZiLElHHUBfraJIMwM2fl1lQ-10曲-MJi叫1dl105IP10=ifE那n:QidTiise伽慎也常茁一-匕曲$II呵in阖G锂?討底、世frequai叩：HZ:TK!hCD4-CteMLjKpStHbteYea由上图可得，Gvd(s)的低频增益为33.8dB，截止频率fc=10.2KHz,相位裕度=2360,相位裕度不足，高频段是-20dB/dec。1. 开环传递函数在低频段的增益较小，会导致较大的稳态误差2. 中频段的

5、剪切频率较小会影响系统的响应速度，使调节时间较大。剪切频率较大则会降低高频抗干扰能力。3. 相角裕度太小会影响系统的稳定性，使单位阶跃响应的超调量较大。4. 高频段是-20dB/dec,抗干扰能力差。PSIM仿真（1）输入电压为48V时电压仿真波形如下图电压稳定时间大约5毫秒，稳定在24V电压稳定后的纹波如下图电压稳定后的纹波大约为0.01V电流仿真波形如下图电流稳定时间大约6毫秒，稳定在5A电流稳定后的纹波如下图电流稳定后的纹波大约为0.002A(2)输入电压变为53V时WPSWPSAUoLfDCRfH(s)脉宽调制Gc(s)+Vref当输入变为53V时，输出电压变为了26.5V。由仿真结果

6、知，输出电压随输入变化而变化，无法使负载得到稳定的电压。Buck闭环控制设计i闭环控制原理Q+Vin输出电压采样与电压基准送到误差放大器，其输出经过一定的补偿后与PWM调制后控制开关管Q的通断,控制输出电压的稳定，同时还有具有一定的抑制输入和负载扰动的能力。令PWM的载波幅值等于1,则开环传递函数为F(s)=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)2补偿环节Gc(s)的设计一一K因子法补偿环节Gc(s)选用PID调节器。Gc(s)，GbcKs其中，2吋,，zlz2，2吋Kplp2c(1+s/)(1+s/)zlz2(1+s/)(1+s/)P1p2K1111，,二,二,二,=cGb*R(C+C)z1RC

7、z2C(R+R)P1RCp2CC1133311221R233C+C23(1)确定闭环传递函数F(s)的剪切频率fC为了使系统响应速度较快，那么fc越大越好；为了抑制开关频率出的干扰，fc取的越小越好。因此fc要这种考虑。取fc=16kHz计算Gb取vref=i2v,H(s)=i/2,则Gb=1/(Gvd(fc)*H(fc)=4.5561计算KGvd(s)在fc=16kHz处的相位是-147.6，有因为buck变换器的相位裕度指标是60,取相位裕度为65所以b=60-180(-90)(-173)=122.6由公式b=2(arctan(VK)-arctan(1/VK)得K=15.3(4) 确定零极

8、点，2吋，32000兀，了c，25701，ccz1z2K，2吋K，393240p1p2c(5) 计算元件参数先取R1=1KQ,Rbias=lKQ,则由上述结果及公式可解得R2=67Q,R3=1246Q,C1=36.37nF,C2=5.96nF,C3=31.2pF3.PSIM仿真电压仿真结果如下图超调量太大，峰值电压达到了39.5V，要对K因子算出的结果进行修正。(1)4.补偿环节Gc(s)的修正应用sisotool把Gvd,Gc，H=0.5放到sisotool中得到K因子法算得的开环传递函数F(s)的bode图如下图-9C-13E6E1Ecmp-22E10110：Fnecumcy训;IZLOf

9、JCULFMtcfcton曲$冊mmdEimccborc.幅值裕度为-20.4db，明显不符合要求。闭环阶跃响应曲线不理想，超调量过大。2)闭环阶跃响应曲线如下图修正方法在sisotool的bode图中调节零极点和曲线位置，找到一个不错的闭环阶跃响应如下图15Ttne(sec?/RabTiwUirtete此时的bode图如下图（3）修正后的Gc的fc=55KHz，幅值裕度为无穷大,相角裕度为99.7,wz1=12821rad/s,wz2=10101rad/s,c13902wp1=393240rad/s,wp2=1996400rad/s,得修正后的Gc为厂/、13902(1s/12812)(1s

10、/10101)Gc(s)=s(1s/393240)(1s/1996400)(4)修正后的参数为R1=Rbias=1K,R2=33.8Q,R3=1381.4Q,C1=75.2nF,C2=0.364nF,C3=71.56nF5修正后的PSIM仿真(1)额定输入电压，额定负载下的仿真,364n-VT电压响应如下图电压稳定时间大约为1毫秒，稳定值为24V,超调量有所减少，峰值电压减小到了34.75V.稳定后的电压纹波如下图电压纹波大约为11mV电流纹波如下图11电流纹波大约为14mA,符合要求。（2）额定输入电压下，由半载到满载的仿真电压响应曲线如下图电压调节时间大约0.4ms,纹波不变大约为11mV

11、。由此可见，输出电压对负载变化的反应速度很快且输出电压稳定。电流响应曲线如下图输出电压的局部放大图像如下图D.-OOSO.-OOTO.dfliTimelSl(3)额定负载下，输入电压变化时的仿真输入电压从48V变到53V时的电压响应如下图四.标称值电路PSIM仿真实际值为R1=Rbias=1K,R2=33.8Q,R3=1381.4Q,C1=75.2nF,C2=0.364nF,C3=71.56nF取标称值为R1=Rbias=1K,R2=34Q,R3=1370Q,C1=82nF,C2=36pF,C3=68nF输出电压的局部放大图像如下图(1)额定输入电压，额定负载下的仿真电压响应如下图电压稳定时间

12、大约为1毫秒，稳定值为24V，峰值电压为34.5V.稳定后的电压纹波如下图电压纹波大约为11mV电流纹波如下图输入电压从48V变到53V时的电压响应如下图电流纹波大约为14mA，符合要求。(2)额定输入电压下，由半载到满载的仿真电压响应曲线如下图电压调节时间大约0.4ms,纹波不变大约为11mV。由此可见，输出电压对负载变化的反应速度很快且输出电压稳定。(3)额定负载下，输入电压变化时的仿真输入电压从48V变到53V时的电压响应如下图議入电玉厂|_|_2俞rdtj&VP1-DD&2：输出电压的局部放大图像如下图由上图可知，输出电压调节时间大约为0.5ms,而且稳压效果好。输入电压从48V变到53V时的电压响应如下图五设计体会通过BUCK变换器的设计，可以看出闭环控制的稳压及抑制干扰的作用。在设计补偿电路时，K因子法是个不错的方法，简单准确，但难以使开环传递函数同时满足幅值裕度和相角裕度，无法直观的控制闭环阶跃响应。而且通过K因子法算出的PID传递函数的两个零点必须重合，两个极点也必须重合，这大大限制了PID的调节性能。可用sisotool对K因子法算出的结果进行修正，从而得到较为理想的幅值裕度、相角裕度和闭环阶跃响应，从而提高PID的调节性能。