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1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电力电子题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 25V/5V指导教师： 职称： 讲 师课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-25V/5V课 题 内 容 及 指 标 要 求课题内容：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
2、的输出电压和负载电流的波形指标要求：1、输入直流电压(VIN)：25V，输出电压(VO)：5V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=1，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz3、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75*F4、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s进程安排第1天 阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法第2天 根据设计原理计算相关主要元件参数以及完成BUCK开关电源系统的设计第3天 熟悉MATLA
3、B仿真软件的使用，构建系统仿真模型第4天 仿真调试，记录要求测量波形第5天 撰写课程设计说明书起止日期2016年6月20日-2016年6月24日 2016年6月17日目录第一章 课题背景41.1 BUCK电路的工作原理41.2 BUCK开关电源的应用7第二章 课题设计要求8课题内容：8第三章 课题设计方案9主电路部分的设计9闭环系统的设计10闭环系统仿真14第四章 总结及心得体会15第五章 参考文献16第六章 附录16第一章 课题背景1.1 BUCK电路的工作原理BUCK电路基本结构如下图;图1-1 基本电路结构及开关导通时等效电路 开关关断时等效电路图1-2 等效电路模型（1）从电路可以看出
4、，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤 波器设计 的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上输出的直流电压Uo有: 电容上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加
5、，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为： 此增量将产生一个平均感应电势: 此电势将减小电感电流的上升速度并同时降
6、低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析如下；图1-3 BUCK电路结构图1-4 开关导通和关段时等效电路a、 晶体管导通状态VD关段，依据等效电路拓扑，有： (1-4)由于电路工作频率很高，一个周期内输入和输出电压基本维持不变，可以视为恒定值，那么输入和输出的差值为常数，电流变化为线性，波形如图所示； (1-5) (1-6) (1-7)b、
7、二极管VD导通模式晶体管关段，电感续流，二极管导通，依据电路等效拓扑有： (1-8)同样，由于输出电压视为维持不变，则输出电流线性减小，波形如图所示；有： (1-9) (1-10)图1-5 BUCK电路各点波形1.2 BUCK开关电源的应用开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、簿的关键技术是高频化，因此，国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型智能化的元器件，特别是该变二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（MnZn）材料上加大科技创新，以提高在高频和较大磁通密度（Bs）下获得高磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。模块化是开关电源发展的总体趋式
8、，可以采用模块化电源组分布式电元源系统，可以设计成N+I亢余电源系统，并实现联系方式的容量扩展。而采用部分谐板转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术应用问题，故仍需在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量工作，以使得该项技术得以应用。现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。可以说，凡是用电的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、
9、通信电源、航空航天电源、UPS电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等，都要使用高频开关电源。它的应用面之广、应用数量之大是任何电力电子电源都无法比拟的。由于高频开关电源的应用面最广、应用的数量多，因而从事高频开关电源研发的工程科技人员也是最多的。第二章 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
10、定负载时的输出电压和负载电流的波形：1、 输入直流电压(VIN)：25V，输出电压(VO)：5V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV2、 负载电阻：R=1，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz3、 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75*F4、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。第三章 课题设计方案1、电容等效电阻RC和滤波电感C的计算Buck变换器主电路如图下
11、所示，其中RC为电容的等效电阻(ESR)。图3-1 Buck变换器主电路图输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关， ohm （3-1） (3-2)电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为5080*F。设计中取为75*F。 (3-3)2、滤波电感L的计算S开通：（） (3-4)S关断： (3-5)最终得到1、闭环系统结构框图图3-2 闭环系统框图整个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U
12、o做成相应调整来消除偏差。系统传函框图如下所示；图3-3 传递函数框图2、BUCK变换器原始回路传函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GO(s)为： 其中为锯齿波PWM环节传递函数，近似成比例环节，为锯齿波幅值Vm的倒数。为采样网络传递函数，Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻，为开环传递函数。将,H(S),=25V,C=750,Rc，L=124.43uH，R=1代入传函表达式，得到：用Matlab绘制Bode图，所用matlab程序：num=0.375，5den=9.316*10-8，1.242*10-4,1G0 =tf(num,den)Margin(G0)Tra
13、nsfer function:-9.322e-009 s2 + 1.243e-005 s + 10图3-4 Bode图由于相角裕度过低，需要添加有源超前滞后补偿网络校正。3、补偿器的传函设计图3-5 有源超前-滞后补补偿器的传递函数设计补偿器的传递函数为：有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为：，极点为：为原点，频率与之间的增益可近似为：在频率与之间的增益则可近似为：考虑达到抑制输出开关纹路波的目的，增益交接频率取：开环传递函数的极点频率为：将两个零点的频率设计为开环传递函数两个相似极点频率的，则将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。先将取值，根据公式可推出：计算过程通过
14、Matlab变成完成。根据闭环传递函数，绘制伯德图，得到相角裕度。如下图所示；图3-6 Bode图1图3-7 Bode图2先将R2任意取一值，然后根据公式可推算出R1，R3，C1，C2，C3，进而可得到Gc（S），根据Gc (S) 确定Kp，ki,kd的值。依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：G(s)=GO(s)Gc (s)计算过程可通过Matlab编程完成。根据闭环传函，绘制波德图，得到相角裕度，验证是否满足设计要求。（参考程序见附录）(1) 用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图（不含干扰负载）图3-8 Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图(2) 对闭环系统进行仿真（
