PD控制方式的10A开关电源PISM.docx
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PD控制方式的10A开关电源PISM
基于PD控制方式的10A开关电源PISM仿真研究
学院：
电气与光电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
1、绪论
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制〔PWM〕控制IC和MOSFET构成，大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。
电源是组成各种电子设备的最根本局部，每个电子设备均会要求有一个稳定可靠的直流电源来供应设备的各种信号处理电路的直流偏置，以期到达各信号处理电路能稳定可靠的工作。
由于计算机技术突飞猛进的开展，数字信号的控制和处理显示出越来越多的优点：
便于计算机处理和控制，防止模拟信号传递畸变失真，减少杂散信号的干扰，软件调试方便等。
例如，主电路的时间常数较大、响应速度相对缓慢，如果控制的响应速度也缓慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很缓慢；相反如果加快控制器的响应速度，那么又会使系统出现振荡。
所以，开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。
常用的控制器有比例-积分〔PI〕、比例-微分〔PD〕、比例-积分-微分〔PID〕等三种类型。
本次实验是以PD控制下的开关电源PSIM仿真。
2.Buck变换器主电路设计
图2.1Buck主电路图
2.1技术指标：
输入直流电压（）：
10V；
输出电压（）：
5V；
输出电流（）：
10A；
输出电压纹波（）：
50mV；
基准电压（）：
1.5V；
开关频率（）：
100kHz
2.2主电路各参数计算
〔1〕滤波电容参数计算
输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关：
〔1〕
但C与R的乘积趋于常数，约为50~80。
本例中取为75，由式〔1〕可得：
C=3000。
〔2〕滤波电感的计算
根据基尔霍夫电压方程可知，开关管S闭合与导通状态输入电压和输出电压满足如下关
系：
（2）
假设稳压管D的通态压降=0.5V，电感L中的电阻压降=0.1V，开关管S导通压降=0.5V，
（3）
可得：
〔取13）
由Psim仿真，得图2.2和2.3
图2.2电感电流脉动
当电感L=13uH，电感中的电流在7.3-9.35A之间，符合的设计要求，并且理论分析与仿真结果一样。
图2.3输出电压脉动
当电感L=13uH，电感中的电流在5v左右，符合设计要求，并且理论分析与仿真结果一样。
2.3采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进展仿真
当L=25uH时，电感电流纹波2.4和输出电压纹波2.5如下：
图2.4电感电流纹波
图2.5输出电压纹波
〔2）当L=5uH时，电感电流纹波2.6和输出电压纹波2.7如下：
图2.6电感电流纹波
图2.7输出电压纹波
采用PSIM的参数扫描功能，由图可得，当L=5uH或25uH时，电感中电流纹波和输出电压纹波较大，调节时间较长；当L=13uH时，电感电流纹波最适宜，波动较小，所以选择L=13uH，理论分析和计算机仿真结果是一致的。
3.有关计算
3.1原始回路有关计算
1.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为：
〔4〕
假设PFM锯齿波幅值=1.5V，=3，=1.325，由此可得采用网络传递函数，原始回路直流增益。
计算如下：
极点频率
根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图3.1.1所示，MATLAB的程序如下：
num=[75000e-92];
den=[63960*1e-1224.64*1e-61];
g0=tf（num,den）;
bode（g0）;
margin（g0）;
图3.1.1仿真图
3.2补偿网络设计
（1）PD补偿网络如图3.2.1：
图3.2.1PD补偿网络构造图
PD补偿网络传递函数为：
，
，，
〔2〕确定补偿网络的参数
为了提高穿越频率，参加补偿网络后开环传递函数的穿越频率在之间。
相位裕度在之间，设相位裕度，PD补偿网络的零、极点频率计算公式为：
所以，
PD补偿网络直流增益为：
那么
根据PD补偿网络的传递函数可以得到的波特图如图3.2.2所示，MATLAB的程序如下：
num=[281.316*1e-5118.2];
den=[2.66*1e-61];
g=tf（num,den）;
margin（g）
图3.2.2PD补偿网络Bode图
系统传递函数为
〔电容阻忽略〕
根据系统的传递函数可以得到的波特图如图3.2.3所示，MATLAB的程序如下：
num=[75000e-92];
den=[63960*1e-1224.64*1e-61];
g0=tf（num,den）;
bode（g0）;
margin（g0）;
holdon
num=[281.316*1e-5118.2];
den=[2.66*1e-61];
g=tf（num,den）;
margin（g）
holdon
num=[75000e-92];
den=[63960*1e-1224.64*1e-61];
f=tf（num,den）;
num1=[281.316*1e-5118.2];
den1=[2.66*1e-61];
g=tf（num1,den1）;
num2=conv（num,num1）;
den2=conv（den,den1）;
margin（num2,den2）
图3.2.3PD补偿网络Bode图
相位裕度在之间由图知：
，满足
要求
3.3补偿网络电路中参数的计算
设，可得，，〔取，，〕
负载突加满载：
如图3.3.1〔原理图〕，图3.3.2〔仿真图〕，图3.3.3〔仿真图〕
图3.3.1原理图
图3.3.2仿真图
图3.3.3仿真图
负载突加卸载80%负载:
如图3.3.4〔系统图〕，图3.3.5〔仿真图〕，图3.3.6〔仿真图〕
图3.3.4系统图
图3.3.5仿真图
图3.3.6仿真图
4.电压扰动
电源加20%的扰动即8V和12V，其原理图和波形图如下
图4.1原理图
图4.2波形图
扰动加上后仿真结果如图4.3和图4.4：
图4.3仿真图
图4.4仿真图
由仿真结果可得，系统的抗扰动能力较好，符合设计要求。
效果较好。
5.个人小结
通过本次开关电源设计，我们更加深刻的理解了buck电路，在自己实践的同时也印证了课本里学习的重点知识，也让我们知道了学习的重要性，设计是一项十分考验知识水平和个人运用能力的综合训练。
在设计是我们遇到了很多的平时不了解的方面，也在运用软件方面有了更紧一步的深入，软件的熟练程度也有了提高，设计的同时并没有单独的用到电源的知识，也用到了相关科目的知识，对我们综合的能力也有了很高的要求，当然在设计的同时也得到了同学们的帮助和帮助，在探讨下得以完成了这门课。
在设计电路这个考验运用和分析的过程中，更充分的了解到了温故而知新的意义所在。
对于仿真软件的应用，从安装到熟悉根本操作的过程是自学和互相学习的过程，你不会的操作需要寻求别人的帮助，这是锻炼我们合作能力和学习能力的过程。
仿真软件能更直观的让我们了解相关电路，在我们以后的学习和工作中也会起到重要作用，这次实验是一次良好的预习时机。
参考文献
[1]万山明,吴芳.开关电源（Buck电路）的小信号模型及环路设计[J].电源技术应用,2004,7（3）:
142-145.
[2]旭等.开关电源技术[M].:
机械工业,2004.03.
[3]占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].：
电子工业，1999:
176～184.
[4]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].：
机械工业，2002:
258～263.
[5]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].：
机械工业，2002:
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[6]万山明,吴芳.开关电源（Buck电路）的小信号模型及环路设计[J].电源技术应用,2004,7（3）:
142-145.
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