开关电源技术.docx

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开关电源技术

基于PD控制方式的10A开关电源Matlab仿真研究

1.设计要求及设计背景

1.设计要求

依据技术指标设计主功率电路，采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真；

掌握小信号建模的方法，建立Buck变换器原始回路增益函数；

采用Matlab绘制控制对象的Bode图；

根据控制对象的Bode图，分析所需设计的补偿网络特性进行补偿网络设计。

采用所选择的仿真软件进行系统仿真，要求有突加、突卸80%负载和满载时的负载特性，分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。

2.设计背景

Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。

然而其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。

为了使其具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，现设计校正网络使其闭环，提高系统的能力。

二．Buck变换器主电路设计

1.1技术指标：

输入直流电压（VIN）：

12V；

输出电压（VO）：

5V；

输出电流（IN）：

10A；

输出电压纹波（Vrr）：

50mV；

基准电压（Vref）：

1.5V；

开关频率（fs）：

100kHz；

1.2

主电路及参数计算

1.2.1主电路

图1buck主电路

1.2.2滤波电容计算

输出纹波电压只与电容容量及ESR有关：

（1）

电解电容生产厂商很少给出ESR，而且ESR随着电容的容量和耐压变化很大，但C与RC的乘积趋于常数，约为50~80μ·ΩF。

本次设计中取为60μ·ΩF，由式

（1）可得：

RC=25mΩ，C=2400μF。

1.2.3滤波电感的计算

（2）

（3）

（4）

图2开关管开通及关断时的等效电路

假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关的导通压降VON=0.5V。

利用，可得TON=4.67μS，将此值带回式

（2），可得，L=14.94μH。

计算如下:

当L=14.94μH时，

电感电流在1.95~2.10之间脉动，

符合△iL≤0.2IN=2A的设计要求，并且理论分析与仿真结果一致。

三．Buck补偿网络设计

图4Buck变换器控制图

3.1原始回路有关计算

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G0（s）为：

（5）

假设PFM锯齿波幅值Vm=1.5V，Rx=3KΩ，Ry=1.3KΩ,由此可得采用网络传递函数

H（s）=0.3，原始回路直流增益A0=G0（0）=2.4。

计算如下：

极点频率

根据计算结果，在Matlab中输入如下程序：

num=[2.4*6*10^（-5）2.4];

den=[3.6*10^（-8）29.88*10^（-6）1];

H=tf（num,den）;

bode（H）;

[mag,phase,w]=bode（H）;

[gm,pm,wcg,wcp]=margin（mag,phase,w）;

margin（H）;

display（pm）;

display（gm）;

得到原始传递函数的波特图如图5所示

图5原始回路传递函数波特图

3.2补偿网络设计步骤

步骤1：

本设计采用的PD补偿网络进行设计，PD补偿网络的电路图如图6所示

图6PD补偿网络电路图

PD补偿网络其传递函数为：

，

（6）

（7）

步骤2：

确定补偿网络的参数。

为了提高穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率fc是开关频率fs的五分之一,即

fc=fs/5=20KHz

设相位裕度

。

PD补偿网络的零、极点频率计算公式为：

（8）

由式（6）可得：

（9）

PD补偿网络直流增益为：

（10）

由式（7）、（8），可得PD补偿网络的传递函数GC（s）为：

（11）

根据上面计算，

在Matlab中输入如下程序:

num=[81.31*2.3*10^（-5）81.31];

den=[2.74*10^（-6）1];

H=tf（num,den）;

bode（H）;

[mag,phase,w]=bode（H）;

[gm,pm,wcg,wcp]=margin（mag,phase,w）;

margin（H）;

display（pm）;

display（gm）;

可绘出PD补偿网络传递函数GC（s）的波特图如图7所示，

图7PD补偿网络开环传递函数波特图

整个系统的传递函数为：

（12）

由以上数据，输入程序：

num=2.4*[81.31*2.3*10^（-5）81.31];

den=[9.86*10^（-14）3.6*10^（-8）32.62*10^（-6）1];

H=tf（num,den）;

bode（H）;

[mag,phase,w]=bode（H）;

[gm,wcg,wcp]=margin（mag,phase,w）;

[pm,wcg,wcp]=margin（mag,phase,w）;

margin（H）;

display（pm）;

display（gm）;

所得波特图如图8所示，

由Matlab绘制的波特图可知，

满足设计要求

图8系统总回路传递函数波特图

3.3补偿网络电路中的参数计算

由式（7）的三个计算公式可得：

（13）

设R1=R2=30K，由上式可得：

R0=0.738K，R3=1.59K，C1=1.72nF（注:

在实际电路中，取：

R0=0.8K，R3=1.6K，C1=2nF）

由于，有20%~100%的负载扰动，

系统总电路图（Matlab）如图9.1及1.2所示

图9.1总系统图（负载扰动）

图9.2总系统图（电源扰动）

4．电路仿真

电路仿真如图10所示