BUCK開關電源的應用

1、目 錄第1章 課題背景11.1 buck電路的工作原理11.2 buck開關電源的應用1第2章 課題設計要求1第3章 課題設計方案13.1 參數13.2 系統(tǒng)的組成23.3 主電路部分的設計23.3.1 濾波電感的計算33.3.2 濾波電容的計算33.4 開環(huán)系統(tǒng)的分析33.4.1 開環(huán)原始傳遞函數的計算33.4.2 開環(huán)原始傳遞函數的伯德圖和相角裕量的分析圖43.5 閉環(huán)系統(tǒng)的設計43.6 雙極點雙零點補償控制器的設計53.6.1 補償網絡電路的原理分析53.6.2 補償器伯德圖73.6.3 加入補償器后系統(tǒng)伯德圖分析83.7 閉環(huán)系統(tǒng)的仿真93.7.1 電路模塊的添加93.7.2 仿真電路

2、參數的設置93.7.3 仿真結果10第4章 總結心得10第5章 參考文獻11第6章 附錄11第1章 課題背景1.1 buck電路的工作原理buck開關電源功能是將電能質量較差的原生態(tài)電源，轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓。1.2 buck開關電源的應用開關電源產品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、led照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，led燈具，通訊設備，視聽產品，安防監(jiān)控，led燈袋，電腦機箱，數碼產品和儀器類等領域。它巨大的作用決定了對它研究的意義。第2章 課題設計要求1. 根據設計要求計算濾波電感

3、和濾波電容的參數值，完成開關電路的設計2. 根據設計步驟和公式，設計雙極點-雙零點補償網絡，完成閉環(huán)系統(tǒng)的設計3. 采用matlab中simulink中simpowersystems模型庫搭建開環(huán)閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型4. 觀察并記錄系統(tǒng)在額定負載以及突加、突卸80%額定負載時的輸出電壓和負載電流的波形第3章 課題設計方案3.1 參數圖3-1 buck變換器主電路圖1、 輸入直流電壓(vin)：32v。2、 輸出電壓(vo)：18v。3、 負載電阻：3。4、 輸出電壓紋波峰-峰值vpp50mv ，電感電流脈動：輸出電流的10%。5、開關頻率(fs)：80khz。6、buck主電路二極管的通

4、態(tài)壓降vd=0.5v，電感中的電阻壓降vl=0.1v，開關管導通壓降von=0.5v,濾波電容c與電解電容rc的乘積為75。7、采用壓控開關s2實現80%的額定負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0.012s，占空比為2%，相位延遲0.006s。當s導通時有： （） （1）當s關斷時有： （2）t與的關系： （3）3.2 系統(tǒng)的組成整個buck電路包括gc(s)為補償器，gm（s）pwm控制器，gvd（s）開環(huán)傳遞函數和h(s) 反饋網絡。采樣電壓與參考電壓vref比較產生的偏差通過補償器校正后來調節(jié)pwm控制器的波形的占空比，當占空比發(fā)生變化時，輸出電壓uo做成相應調整來

5、消除偏差。系統(tǒng)傳函框圖：3-2。 圖3-2 系統(tǒng)傳函框圖3.3 主電路部分的設計3.3.1 濾波電感的計算由公式，其中 （4），其中，r=3 （5） （6）設計要求中，求得，。3.3.2 濾波電容的計算由前面的公式（1），（2），（3）及一些參數，。算得：，。3.4 開環(huán)系統(tǒng)的分析3.4.1 開環(huán)原始傳遞函數的計算采用小信號模型分析方法可得buck變換器原始回路增益函數go(s)為： （7）其中， （8）其中，是分壓電阻，它們的取值是不固定的，但是他們的單位要是級的，這樣整個電路的誤差會小。此次設計，它們的單位是。 （9）將數據代入公式（7），得 =3.4.2 開環(huán)原始傳遞函數的伯德圖和相角裕

6、量的分析圖將的表達式輸入到matlab軟件中，可以得到如圖3-3所示的伯德圖，由圖可知=25.6deg。相角裕度過低。需要添加有源超前滯后補償網絡校正。 圖3-3 開環(huán)原始傳遞函數的伯德圖3.5 閉環(huán)系統(tǒng)的設計 圖3-4 閉環(huán)系統(tǒng)結構框圖圖3-4中包含輸入電源，濾波電感，濾波電容，負載，脈沖信號，續(xù)流二極管，參考電壓以及一些傳遞函數。3.6 雙極點雙零點補償控制器的設計3.6.1 補償網絡電路的原理分析圖3-5 有源超前-滯后補償網絡電氣圖圖3-5中的有源超前-滯后補償網絡電路由一些電阻和電容的串并聯組成，通過數電與模電的知識可以得到它的傳遞函數表達式： （10）有源超前-滯后補償網絡有兩個零

7、點、三個極點。 （11） （12） （13） （14） （15） （16）零點為： （17） （18）極點為：為原點 （19） （20）頻率與之間的增益可近似為: （21）在頻率與之間的增益則可近似為： （22）考慮達到抑制輸出開關紋波的目的，增益交接頻率?。殚_關頻率）：khz (23)開環(huán)傳函的極點頻率為： (24)將兩個零點的頻率設計為開環(huán)傳函兩個相近極點頻率的，則 (25)將補償網絡兩個極點設為,以減小輸出的高頻開關紋波。 (26) (27)根據已知條件使用matlab程序算得校正器gc（s）各元件的值如下（程序見附錄），取r2=10000歐姆：=1.4259；=548.0150；=1

8、8.2477；=7.6462e-008；=1.0902e-007；=1.9894e-010；=7.0133e+003。通過公式（10）得出：=3.6.2 補償器伯德圖 圖3-6 補償器伯德圖 3.6.3 加入補償器后系統(tǒng)伯德圖分析圖3-7 加入補償器后系統(tǒng)的伯德圖由圖可知，在加入補償器之后的=152deg,它遠遠大于未補償之前的=25.6deg，相角裕度增加，達到設計的要求。3.7 閉環(huán)系統(tǒng)的仿真3.7.1 電路模塊的添加在matlab軟件中，點擊simulink,新建一個.mdl的文件，然后按照仿真電路圖向其中添加相應的模塊。本次的課程設計所需的模塊大多數都在simpowersystem中，

9、如power,mosfet,l,relay,rc,c,pulse generator,ideal switch,r,voltage measurement,scope,transport delay,gelding,transfer fcn,saturation,3.7.2 仿真電路參數的設置輸入的直流電壓為18v。采用壓控開關s2實現80%的額定負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0.012s，占空比為2%，相位延遲0.006s。設置仿真時間為0.04s，采用ode23s算法，可變步長。設置傳輸延遲(transport delay)的時間延遲(time delay)為0.

10、006，積分(integrator)的飽和度上限(upper saturation limit)為0.8349，下限為0.832，絕對誤差(absolute tolerance)為0.000001，pwm的載波為80khz，幅值為14.4v的鋸齒波。3.7.3 仿真結果圖3-8 未加干擾仿真圖圖3-9 加干擾仿真圖第4章 總結心得通過這次設計，更加深入的理解和掌握了這方面的知識，對本專業(yè)的認識也更加深入，在設計過程中，自己也學到了許多新的知識，有很多感悟和體驗心得。本課程設計是在韓霞老師的親切關懷與細心指導下完成的。從課題的選擇到最終的完成，韓老師始終都給予了細心的指導和不懈的支持，讓我們獲益

11、菲淺，并且將終生受用無窮。在此對錢老師表示最衷心的感謝！ 第5章 參考文獻1 電力電子技術 王兆安 機械工業(yè)出版社 2 開關電源技術教程 張占松 機械工業(yè)出版社3 電源的計算機仿真技術 陸治國科學出版社4 電力電子技術計算機仿真實驗李傳琦電子工業(yè)出版社5 電力電子應用技術的matlab仿真杜飛中國電力出版社6 電力電子技術的matlab實踐黃忠霖國防工業(yè)出版社7 電力電子系統(tǒng)建模及控制徐德洪機械工業(yè)出版社第6章 附錄附錄1 matlab所用程序：clc;clear;vg=32;l=1.624*10(-4);c=9*10(-4);fs=80*103;r=3;vm=14.4;h=0.8;rc=0.

12、083;g0=tf(c*rc*vg*h/vm,vg*h/vm,l*c,l/r,1);figure(1);margin(g0);fp1=1/(2*pi*sqrt(l*c);fg=(1/5)*fs;fz1=(1/2)*fp1;fz2=(1/2)*fp1;fp2=fs;fp3=fs;marg_g0,phase_g0=bode(g0,fg*2*pi);marg_g=1/marg_g0;av1=fz2/fg*marg_gav2=fp2/fg*marg_gr2=10*103;r3=r2/av2c1=1/(2*pi*fz1*r2)c3=1/(2*pi*fp2*r3)c2=1/(2*pi*fp3*r2)r1=1/