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1、.天 津 理 工 大 学课程设计报告题目：数字式Buck变换器系统设计学生姓名 刘磊 学号20110761 届2014 班级11级2班 指导教师陈鹏 专业电气工程及其自动化 起始日期20XX6月1日审核日期20XX6月26日第一章 课程设计内容和要求1.1课程设计内容本课程设计要求设计如图BUCK变换器主电路,+-VinQfCfLRDUbUo+-A电路参数如下输入电压：Vin=30VDC；输出性能：Vout=15VDC； Vout。在t0时刻,开关管Q恰好开通,二极管D截止。此时： 电感中的电流线性上升,式1-1可写成：2开关模态1t1t2t1t2对应图1.3b。在t1时刻,开关管Q恰好关断,
2、二极管D导通。此时：电感中的电流线性下降,式1-3可写成：式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时,联解式1-2与式1-4可得：输出电流平均值： 图1.3 t0t1 图1.3 t1t2图1.3 t1t2的主要工作波形图1.3 t1t2的主要工作波形1.3 Buck变换器外特性在恒定占空比下,变化器的输出电压与输出电流的关系Uo=f称为变换器的外特性。式1-5表示了电感电流连续时变换器的外特性,输出电压与负载电流无关。当负载电流减小时,可能出现电感电流断续现象。图1.4为电感电流断续时电流波形图。由式1-2与式1-4可知,当输入电压和输出电压一定时,为常数。由式1-6可见,当负载电流减少到时,
3、此时最小负载电流,即为电感临界连续电流： 由式1-2及式1-5得,带入式1-7得： 式1-8由上式可见,临界连续电流与占空度的关系为二次函数,当D=1/2时,临界连续电流达到最大值： 式1-9当电感电流断续时,即在Toff结束前续流二极管的电流已下降到0,此时输出的平均电流为： 式1-10式中,为开关管关断后电感电流持续的时间,并且： 式1-11稳态时,由式1-11得： 式1-12将式1-11及式1-12带入式1-10得： 式1-13即： 式1-14图1.4 电感电流断续时电流波形可见在电流断续区,输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关,而且与负载电流有关。第二节Buck变换器参数设计2.1
4、Buck变换器性能指标输入电压：Vin=30VDC；输出性能：Vout=15VDC； Vout=0.2v； Iout=10A； 当Iout=0.1A时,电感电流临界连续。开关频率：fs=200KHz。2.2 Buck变换器主电路设计2.2.1 占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围：D=Uo/Ui=15/30=0.5 式2-12.2.2 滤波电感Lf1滤波电感量Lf计算变换器轻载时,如果工作在电流连续区,那么为了保持一定的输出电压,占空比大为减小,也就是说开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和,变换器的
5、输出将出现失控或输出纹波加大,因此希望变换器工作在电感电流连续状态。所以,以最小输出电流Iomin作为电感临界连续电流来设计电感,即。在Q关断时,由式1-4得：=5x /=62.5uH。 式2-2由LfLf,取Lf=62.5uH。2.2.3 滤波电容Cf1 滤波电容量Cf计算在开关变换器中,滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。该Buck变换器的输出电压纹波要求Vout0.2v。若设,即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量,电容在时间间隔内充放电,电容充电的平均电流： 式2-8电容峰峰值纹波电压为： 式2-9因此,得： 式2-10取,D=0.5时,Cf的值最大。即： 式2-11由Cf
6、Cf得,取Cf=186uF。2滤波电容的耐压值输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值,一般比输出电压的最大值高一些,但不必高太多,以降低成本。由于最大输出电压为15V,则电容的耐压值为15V。3滤波电容的选取由输出滤波电容的电容量Cf=186uF,耐压值为15V,留有一定的裕量,则选取186uF/15V电容。2.2.4 开关管Q的选取该电路的输入电压是10V,则开关管耐压值为10V,电流的最大值为,其开关频率为,因此选用的MOSFET管,其额定值为。2.2.5 续流二极管D的选取w续流二极管所承受的最大反向电压为Vin=10V；在时,二极管电流的有效值为；续流二极管的工作频率为f=200K
7、Hz。考虑一定的裕量,选用肖特基二极管SR150-1,其电压和电流额定值为：30V/10A。第三节 Buck变换器闭环控制的参数设计3.1 闭环控制原理为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标,需要对变化器进行闭环控制。其工作原理为：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锯齿波,即调制波进行交截来控制占空比,从而控制开关管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。图3.1为闭环控制电路的基本原理图。图3.1 Buck电路闭环控制基本原理图图3.2 PWM型DC/DC变换器的小信号模型为了实现闭环控制,为了进一步研究参数对闭环控制的影
8、响,建立PWM型DC/DC变换器的小信号模型,如图3.2所示。Gc为补偿器的传递函数,Gvd为低通滤波器的传递函数,Vm为载波信号的峰峰值。从小信号模型分析,其环路增益T=HGcGvd/Vm。要到到闭环控制的目的,其环路增益T要满足一定的条件： 环路增益在低频段要有高增益,呈现积分特性,使系统成为误差系统； 环路增益在中频段要提供足够的相角裕度,使系统稳定； 环路增益在高频段要具有-40dB/Dec的斜率,以抑制高频干扰。3.2 Buck变换器的闭环电路参数设计3.2.1 Gvd的传递函数分析在CCM情况下,占空比d到输出电压Vo的小信号传递函数为： 式4-1其中,该Buck变换器的输入电压为
9、30V,输出电压为15V,输出电流为10A,Lf=625uH,Cf=186uF,取RL=5m,Rc=25m,用Mathcad画出Gvd的幅频特性曲线及相频特性曲线,如图3.3a、图3.3b所示。图3.3a Gvd的幅频特性曲线从图4.3可以求得,Gvd的低频增益为33.625dB,谐振频率fr=2.52KHz,截止频率fc=18.67KHz,并且斜率为-40dB/Dec,这是一个典型的低通滤波器。遇到滤波电容Cf的ESR产生的零点处频率636.6KHz时,幅频特性曲线斜率变为-20dB/Dec。图3.3 Gvd的相频特性曲线从3.3b图中可求得,其相角裕度为5.868度。可以看出,相角裕度不足
10、,要进行补偿设计。第四节 Buck变换器闭环仿真4.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标为了验证闭环控制的工作原理及正确性,采用SABER软件对电路做了仿真分析。仿真所用的参数为：l 输入直流电压：Vin=30VDC；l 输出直流电压：Vo=15V；l 开关频率：fs=200KHz；l 输出电流：Io=10A；l 输出滤波电感：Lf=625uH；l 输出滤波电容：Cf=186uF；l 开关管：MOSFET,MTD6N15T4G；l 续流二极管：肖特基,SR150-1；l 采样分压电阻：Rf1=19K,Rf2=5K；l 参考电压：Vref=15V；l 补偿网络：R1=16K,R2=60K,R3=70,C1=1nF,C2=3.5nF,C3=7pF；l 载波信号：锯齿波Vm=2.4V,T=5us。4.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图图4.1 闭环仿真电路原理图4.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析仿真结果如下图图4.2 输入电压与输出电压波形图4.3 输出电压的纹波图4.4 初始工作时的调节过程图4.5 稳态工作波形图4.6 输入电压变化时输出波形图4.2 为输入电压与输出电压波形。从图,其调节时间为0.35ms,响应速度很快。图4.3 为输出电压的纹波。由图得,其纹波电压峰峰值为9
