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4.4缓冲电路设计15

5问题和总结17

参考文献：

18

附录：

Buck变换器设计

1引言

直流-直流变流器（DC-DCConverter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

直接直流变流电路为称斩波电路（DCChopper），它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。

间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。

降压斩波器的原理是：

在一个控制周期中，让V导通一段时间ton，由电源E向L、R、

M供电，在此期间，uo＝E。

然后使V关断一段时间，此时电感L通过二极管VD向R

和M供电，uo＝0。

一个周期内的平均电压。

输出电压小于电源电压，起到降压的作用[2]。

2PWM控制器设计

本组设计要求：

BuckDC/DC变换器。

电源电压Vs=12-18V，开关频率38kHz。

要求输出电压Vo=9V；

电感电流不断流，需要完成完成闭环设计（实现补偿网络）和MOSFET的。

2.1PWM控制的基本原理[1]

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样控制理论中有一条重要的结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。

效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。

上述原理称为面积等效原理。

图1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

以正弦PWM控制为例。

把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。

各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。

根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效[2]。

图3用PWM波形代替正弦波

2.2TL494的时序

当锯齿波电平＜死区时间控制电平时，死区时间比较器输出高电平。

当锯齿波电平＜反馈/PWM输入电平时，PWM比较器输出高电平。

死区时间控制电压和反馈/PWM输入电压，二者中较高的电平控制触发器时钟宽度。

当输出控制电压=H时，Q和时钟信号均为0时，Q1基极获高电平导通，/Q和时钟信号均为0时，Q2基极获高电平导通，两管轮流导通，称为推挽工作方式。

当输出控制电压=L时，时钟信号为0时，Q1和Q2基极获高电平导通，两管同时导通，称为单端工作方式。

图4TL494时序图

2.3控制电路设计

PWM控制芯片TL494是频率固定的PWM控制器，主要为开关电源控制器而设计。

其具有：

【2】

完整的脉冲宽度调制控制电路

片上的振荡器可以工作在主动模式和被动模式

片上集成误差放大器

片上集成5.0V基准电压

可调整的死区时间控制

输出晶体管输出和灌入电流可达500mA

输出控制可用于推挽式和单端式

低压锁定

控制电路使用PWM控制芯片TL494来产生开关控制信号。

其原理图如下：

图5PWM控制原理图和工作波形

图6TL494内部框图

图7PWM控制电路接线图

表1PWM控制电路器件清单

序号名称数量备注

116脚IC插座1

2CT电容1682

3电位器2

4死区电阻15.1k

512号引脚电容1104

612脚与7脚去耦电容1电解电容

用以上器件，将PWM控制电路焊接完毕之后，调试过程中发现，不管如何调节电位器RT，开关频率始终在几百Hz，距离要求的38kHz相差甚远。

便怀疑是焊接过程出现了问题，用万用表检查各个触点，发现与6号脚连接的电位器的中间端应该接地，却接在了电源线上面，修正了这一错误之后。

电路运行正常。

调试电路，得到TL494芯片的5号脚出现锯齿波，9和10脚出现方波。

由本组实验要求，开关频率为38kHz,调节6号脚的电位器直至开关频率为38kHz。

图8方波

3buck变换器主电路设计

3.1主电路分析

图9主电路开环控制图

（1）

（2）

将最小电流值取0.5A，电源电压取18V。

通过

（1）

（2）两公式求得Lmin=164uH

又根据领的磁环尺寸得知，其：

AL=93

（3）

Nmin=29

计算得知，最少需缠绕漆包线29圈，实际缠绕过程中，为了使电感尽可能地大一些，提高实验的成功率，缠绕了59圈。

表2电感参数表

磁环型号ALNN实际理论电感实测电感

KT106-26932959164uH332.5uH

表3开环控制参数表

名称数值型号

CT6.67nF682

RT4.76kΩEOST

二极管VDSR2100

MOSFETIRF530N

驱动电阻Rg30Ω5W30J

滤波电容1977uFLXZ

去耦电容Bb45uFS7C

用以上元器件将开环控制电路焊接完毕之后，经过调试未发现问题，顺利测出了开环的各项数据，通过调节电位器W1,改变占空比，测得开环情况下，各数据如下表所示：

表4开环测试表

输入电压占空比3号脚电压（v）理论输出电压（v）实际输出电压（v）

18v03.500.00.07

18v0.053.380.90.53

18v0.13.291.81.11

18v0.32.845.43.71

18v0.52.159.06.66

18v0.71.6312.69.57

18v0.81.4114.410.76

18v最大0.715.611.92

3.2反馈回路设计

系统框图如下：

图10Buck变换器系统框图

主电路图如下：

图11主电路图

整个Buck电路包括Gc（s）补偿器，Gm（s）PWM控制器，Gvd（s）开环传递函数和H（s）反馈回路。

给定量R（s）（既TL494芯片2号脚电位器所对应电压）与反馈量H（s）（既与比较产生的偏差通过bode图法得到控制器Gc（s）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，输出电压即作出相应的调整,来消除偏差。

降压变压器闭环连接电路图为：

图12反馈回路和补偿器

反馈回路既H（s）取0.164，既为0.164。

取Ry为10K欧姆，Rx为51K欧姆。

一端接地。

4buck变换器控制器设计

4.1系统分析

把TL494芯片占空比调到最大（调节2号脚电位器，当占空比恰好变小那刻）5号脚锯齿波所对应的峰值电压即为实验所需数据Vm的值，实验测得为3V。

开环下，传递函数Gvd为：

（4）

带入数据得：

（5）

原始回路增益函数为：

（6）

（7）

用MATLAB得开环下系统的伯德图为：

图12开环传递函数的伯德图

由图很容易知道，此系统不稳定，需要加入控制器，使系统稳定。

4.2控制器设计

补偿器的传递函数为：

（8）

补偿网络有两个零点、三个极点。

零点为：

（9）

（10）

极点为：

为原点，

（11）

（12）

频率与之间的增益可近似为:

（13）

在频率与之间的增益则可近似为：

（15）

考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取（为开关频率）

开环传函的极点频率为，将两个零点的频率设计为开环传函两个相近极点频率的，则：

（16）

将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。

（17）

（18）

根据已知条件使用MATLAB程序（源代码见附录）算得校正器Gc（s）各元件的值如下：

取R2=6*104欧姆

H（S）=0.164

算得：

R1=6000欧姆R3=25欧姆

C1=442e-09FC2=1e-9FC3=442e-9F

补偿器伯德图为：

图13补偿器的伯德图

加入补偿器后：

图12加入补偿器后系统的伯德图

相角裕度到达91.8度，幅值裕度到达30分贝，符合设计要求。

（所用MATLAB程序见附录）

4.3控制器实现

电位器W1的中间引脚（电位器的2号引脚）原来接TL4943号脚，现在变为接与2号脚相连的R1的输入端。

按照计算所得的数据连接电路图，调试运行良好。

在数据测试的过程中，不但测试了输出为9v，还测试了输出为8v，以及纹波电压等数据，详细见下表：

表5闭环测试表

电源电压（v）设定值（v）理论输出（v）实际输出（v）误差

121.4798.189.1%

131.4798.446.2%

141.4798.485.7%

151.4798.505.6%

161.4798.515.4%

171.4798.515.4%

181.4798.525.3%

191.4798.545.1%

141.1787.506.2%

151.1787.675.4%

161.1787.665.5%

171.1787.665.5%

181.1787.675.4%

纹波电压:

v=8mv

4.4缓冲电路设计

反馈回路完成之后，经过何老师验收通过。

之后，我们又做了MOSFET的RC缓冲电路。

缓冲电路是并联在半导体开关管上起保护和改善开关性能的电路。

作用如下：

【4】

1）降低或消除电压、电流尖峰；

（2）限制dl／dt或dV／dt；

（3）使系统运行在安全操作区（SOA）内；

（4）把开关功率损耗转移到电阻或有用负载上；

（5）降低总的开关损耗；

（6）通过钳位电压和电流振荡降低EMI。

通过查阅资料和计算，我们将一个1nF的电容和10欧姆的电阻串联起来之后，并联在MOSFET上。

做了缓冲前后的输出电压分别如图12和图13.可以看出，做了RC缓冲之后输出电压质量得到明显的提高。

图13缓冲之前输出电压波形

图14缓冲之后输出电压波形

4.5闭环控制原理

校正原理：

由于H（s）=0.164，故：

Rs=0.164*Vo.例如当2号脚电压为1V时，期望的输出电压即为6.10V。

当系统输入电压调高或者调低时，输出电压Vo通过反馈回路与给定信号比较，产生的偏差输入校正器。

校正器通过积分作用产生补偿信