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1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电力电子技术题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 48V/12V 专业：电气工程及其自动化指导教师： 职称： 讲 师课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V/8V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
2、载以及突加、突卸80%额定负载时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)：48V，输出电压(VO)：12V，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)=100kHz3、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
3、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MATLAB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日 目录第一章 课题背景11.1BUCK电路的工作原理11.2 BUCK开关电源的应用2第二章 课题设计要求52.1 课题设计内容52.2 课题设计指标要求5第三章 课题设计方案63.1 系统的组成63.2主电路部分的设计73.3闭环系统的设计83.3.1开环原始传递函数的计算83.4双极点双零点补偿控制器的设计93.4.1 有源超前-滞后补偿网络93.4.2补偿器的传递函数93.4.2伯德图及
4、相角裕量113.5闭环系统的仿真123.5.1传递函数123.5.2 仿真结果12第四章 总结及心得体会16参考文献17附录18第一章 课题背景1.1BUCK电路的工作原理降压电路的原理图如图1.1.1所示。该电路使用一个全控器件S，图中为MOSFET。图1.1中，为在S关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。图1.1降压电路的原理图S导通时，等效电路图如图1.2所示，输入端电源通过开关管S及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电。电感相当于一个恒流源，起传递能量作用电容相当于恒压源，在电路里起到滤波的作用。图1.2 等效电路图S关断时，等效电路图如图1.3所示，电感器L中储存
5、的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。图1.3 等效电路图图1. 4中S的Vo波形所示，在t=0时刻驱动S导通，电源Vi向负载供电，负载电压vo=vi，负载电流io按指数曲线上升。当t=t1时刻，控制开关S关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压Vo近视为0，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串联的电感L值较大。到一个周期结束，再驱动S导通，重复上个周期的过程，当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为Vo=。（1-1）（1-1）式中 ，ton为S处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为
6、开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。由公式可知，输出到负载的电压平均值Vo最大为，减小占空比， Vo随之减小。因此将该电路称为降压电路。图1.4 波形图1.2 BUCK开关电源的应用开关电源一般有BUCK型（也叫降压型），BOOST（也叫升压），还有很少用到的BUCK-BOOST型（也叫升降压型），BUCK型开关电源就是降压到自己需要的电压，其基本构造一般是大功率开关管（比如大功率MOS管，一般都用MOS管，还有专门的POWERMOS）与负载串联构成。在20世纪60年代很流行，是几十亿美元产值的主要技术根据，但这种的效率还是很低，于是随后出现了MOS管工作在非线性区即开关状态下的开关电
7、源，正是MOS管的开和断，开关电源才因此而得名，对于AC/DC的BUCK型开关电源，前级还是要经变压器降压，以及全波整流和滤波后得到Udc，此时Udc的纹波还是较大，波动范围大概与电网电压的波动成线性比，大概在正负10%左右，假设MOS管导通的时间为T1，截止的时间为T2，那么T1比（T1+T2）的值就是占空比q，假设输出电压为Uo,那么理论上Uo=q*Udc，在Udc与Uo之间需要加续流肖特基和LC滤波电路，以便得到尖峰和纹波更小的输出电压Uo,电感和电容的值不能太小，否则开关电源会设计失败，在Uo输出端需要加电阻来采样电压，然后反馈到误差放大器，误差放大器输出的电压与锯齿波构成电压比较器，
8、输出方波，然后加驱动电路，也叫PWM驱动电路，然后控制开关管，来及时调节导通和关断的时间比，输出稳定的电压。这就是BUCK型开关电源的基本工作原理，这种电源的效率基本可以达到70%80%，如果能有效控制电网电压的波动范围，效率还可以提高，现在基本上比较好的电源的电网电压波动可以做到正负5%（这就涉及到变压器技术）。对于DC/DC的BUCK型开关电源，效率可以更高，比如蓄电池供电，去点亮大功率LED，这时就需要驱动电路，也叫LED驱动模块（本人所在的公司就是设计此类驱动的）而驱动电路就是基于开关电源技术，由于是直流输入，输入电压的波动范围比交流输入的波动范围要小得多，所以效率可以高达90%多。对
9、于整个电路中的MOS管，误差放大器，电压比较器，PWM驱动电路现在有的公司已经将其做成芯片，将其集中在芯片内部，而且有的公司做的很好，误差很小，要输出稳定的，尖峰和纹波比较小的输出电压，无非就是要控制MOS管的占空比很准确，这也就成了芯片做得好与坏的区别之处，那么只要在芯片外加上续流肖特基，LC电路以及其他一些电子器件就可以构成BUCK型开关电源。当然，具体的参数，具体的波形，还是需要去调试和验证的，示波器在此的作用可以说是很大很大，在AC/DC的BUCK型开关电源中，为了得到波动范围更小的Udc,变压器技术在此的作用就显示出来，这一部分应该有专门的人去搞的.在我们国家市电是220V，50HZ
10、，所用的变压器叫做工频变压器，有的国家市电是110V，60HZ，那么工频变压器在这就不适用了，所以就有高频变压器和低频变压器的出现等等，所以在此变压器技术也是很关键，有的名牌电源公司做的电源无论拿到那个国家都是OK的，有的电源只能在本国用，一到其他地方就不行了。第二章 课题设计要求2.1 课题设计内容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
11、负载时的输出电压负载电流的波形2.2 课题设计指标要求1、 输入直流电压(VIN)：48V，输出电压(VO)：12V，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)=100kHz3、 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*F。4、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3.1 系统的组成整个BUCK电路包括G
12、c(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Uo做成相应调整来消除偏差。如图3.1所示为闭环系统的结构框图图3.1 闭环系统的结构框图具体的结构框图如图3.2所示图3.2 结构框图其中，直流变化的作用是1、直流变换：将输入的交流电转换为直流电。2、控制对象：控制实验的对象。3、采样网络:采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差。4、PWM控制器：控制PWM的波形。5、补偿控制器：校正后来调节PWM控制器的波形的占空比。3.2主电路部分
13、的设计设计主要包括滤波电感，滤波电容的计算，根据设计要求和提供的参数值。（一）电容的计算输出纹波电压只与电容的容量以及等效电阻ESR有关，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。本例中取为75*F。 计算出RC和C的值。Rc= (3-1)C= (3-2)（二）滤波电感L的计算开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程，再利用Ton+Toff=1/fs,列出如下式子：Ton+Toff=1/fs (3-3) 1/100000=10s;VIN=Vo+VL+Von+L(3-4) 12+0.1+0.5+L=480=Vo+VL+VD+L (3-5) 12+0.1+0.5=0
14、 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,代入式中，可得TON=2.31S， L=77H。3.3闭环系统的设计3.3.1开环原始传递函数的计算BUCK变换器系统框图如图3.3所示图3.3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： （3-6） 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，（3-7），Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻，Go（s）为开环传递函数。取Rx的值为4k，Ry的值为6 k。代入H（s）得H（s）=0.4，因为Uo=12V，所以以Vref=4.8V，Vm=Vref=4.8V。将Vm=4.8V,H(S)=0.4,VIN=48V,C=1.8mF,Rc=41.7m，L=77H，R=1代入传函表达式：Go（s），得到：Go（s）= 用matlab绘制伯德图，根据程序得到伯德图如图3.4所示图3.4 补偿前伯德图由上图可知：用matlab绘制伯德图，如图3.4所示，得到相角裕度31.3度。由
