buck电路设计

buck电路设计 Buck 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——K因子法 3.PSIM仿真 ——应用sisotool 4. 补偿环节Gc(s)的修正 5(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:直流电压48V，变化范围:43V~53V 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:10dB 一. Buck主电路设计: 1.占空比D计算 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。 U24VoD,,,0.558maxU43Vinmin U24VoD,,,0.453minU53Vinmax U24VoD,,,0.5nomU48Vinnom 2.电感L计算 (U-U)Tinmaxoon(min)(U-U)Dinmaxomin L,,,105uH 2,i2,ifLLs 3.电容C计算 L,i0.25 C,,,1.25uF s8,vf8*0.1*250000 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43V~53V，则开关管耐压值为53V，电流的最大值为I,I，,i,5A，0.25,5.25Af,250KHz，其开关频率为，因此选用的QpoL 150V/6AMOSFET管MTD6N15T4G，其额定值为。 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/zG(s),Uvdin22 1，s/Q,，s/,00 其中， 11 ,Q,,,,0 (L/RRC)LC(1R/R),，，0esresr 1 ,,z RCesr 取Resr=50mΩ，负载R=4.8Ω，又知L=105uH，C=120uF，可求得ω0=8862.7rad/s，f0=ω0/2π=1410.5Hz，Q=4.0269，ωz=166670rad/s，fz=ωz/2π?26526Hz。 1，s/166670G(s),48*vd22 1，s/(4.0269*8862.7)，s/8862.7 二. Buck变换器开环分析 Matlab仿真频域特性如下bode图 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=23<60，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 当输入变为53V时，输出电压变为了26.5V。 由仿真结果知，输出电压随输入变化而变化，无法使负载得到稳定的电压。 三. Buck闭环控制设计 1.闭环控制原理 UoQA Lf + VinRDCf -H(s) 脉宽Gc(s)-调制+ Vref 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——K因子法 补偿环节Gc(s)选用PID调节器。 G,(1，s/,)(1，s,/)z1z2bcGc(s), Ks(1，s/,)(1，s/,)p1p2 其中， 2,f c,,2,f，,,,,，,,,,2,fKccz1z2p1p2c K K1111 ,，,，,，,，,,,,,,cz1z2p1p2CC Gb*R(C，C)RCC(R，R)RC231133311221R3C，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 (2) 计算Gb 取Vref=12V，H(s)=1/2,则Gb=1/(Gvd(fc)*H(fc))= 4.5561 (3) 计算K Gvd(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Φb=60?-180?-(-90?)-(-173?)= 122.6? 由公式Φb=2(arctan(?K)- arctan(1/?K))得K= 15.3 (4) 确定零极点 ,2fc,,,2f,32000,,,,,,25701ccz1z2，，K ,,,,2,fK,393240p1p2c (5) 计算元件参数 先取R1=1KΩ,Rbias=1KΩ,则由上述结果及公式可解得R2=67Ω，R3=1246Ω，C1=36.37nF，C2=5.96nF， C3=31.2pF 3.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。 4. 补偿环节Gc(s)的修正——应用sisotool (1)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 幅值裕度为-20.4db，明显不符合要求。 闭环阶跃响应曲线如下图 闭环阶跃响应曲线不理想，超调量过大。 (2)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 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, G,bc,13902wp1=393240rad/s, wp2=1996400rad/s, K 得修正后的Gc为 13902(1，s/12812)(1，s/10101)Gc(s), s(1，s/393240)(1，s/1996400) (4)修正后的参数为R1=Rbias=1K，R2=33.8Ω，R3=1381.4Ω，C1=75.2nF，C2=0.364nF，C3=71.56nF 5(修正后的PSIM仿真 (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 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。 电流响应曲线如下图 (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 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。 四( 标称值电路PSIM仿真 实际值为R1=Rbias=1K，R2=33.8Ω，R3=1381.4Ω，C1=75.2nF，C2=0.364nF，C3=71.56nF 取标称值为R1=Rbias=1K，R2=34Ω，R3=1370Ω，C1=82nF，C2=36pF，C3=68nF (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 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 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。 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。