buck变换器设计报告Word下载.doc

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•输出电压纹波：

100mV

•电流纹波：

0.25A

•开关频率：

250kHz

•相位裕量：

60

•幅值裕量：

10dB

1.2设计要求

•计算主回路的电感和电容值

•开关器件选用MOSFET,计算其电压和电流定额

•设计控制器结构和参数

•画出整个电路,给出仿真结果

2BUCK主电路各参数计算

图1利用matlab搭建的BUCK主电路

Mosfet2在0.01s时导通，使得负载电阻由9.6变为4.8，也就是说负载由半载到满载，稳态时负载电流上升一倍，负载电压不变，这两种状态的转换的过程的表征系统的性能指标。

2.1电感值计算

当时，，D=0.558,求得

当时，，D=0.5,求得

当时，，D=0.453，求得

所以，取

2.2电容值的计算

代入，得，由于考虑实际中能量存储以及输入和负载变化，一般取C大于该值，取

2.3开关器件电压电流计算

2.4开传递函数的确定

其中

故开环传递函数为

3系统开环性能

3.1开环传递函数的阶跃响应

由MATLAB可以作出系统的开环函数的单位阶跃响应，如下图所示

由图可知，系统振荡时间较长，在5ms之后才可以达到稳定值，超调量为66.67·

波形6﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666%，需要增加校正装置进行校正。

3.2系统开环输出电压电压、电流响应

由MATLABsimulink作出的系统的输出电压、电流响应如下图所示

图2开环电压、电流响应

在0.01s时负载由9.6变为4.8，电压振荡后不变，电流增大一倍。

由图可知电压超调量达到70%，电流超调量达到75%。

图3负载变化时电流响应图4负载变化时点响应

图3电流纹波图4电压纹波

电流纹波约为0.002A，电压纹波为0.01V，符合设计的要求，由于器件本身的压降损耗等因素，电压稳态值不等于24V，电流的稳态值也不等于5A。

4控制系统设计

4.1控制原理

图5闭环控制系统原理

取输出输出信号作为反馈信号，经过校正装置来控制MOSFET的导通和断开，在开关周期一定的情况下控制占空比，实现闭环控制。

根据控制信号的不同，有以下两种控制方法：

图6电压型控制

电压控制型：

电压作为反馈信号，经过校正装置与锯齿波比较来控制开关的占空比。

图7电流型控制

电流峰值控制：

用通过功率开关的电流波形替代普通PWM调制电路中的载波信号。

4.2闭环系统结构图

图8闭环系统结构图

闭环增益:

调节器增益：

反馈因子：

4.3调节器类型

积分器PI调节器PID调节器

•积分器：

斜率-20db/dec,-90°

.

•PI调节器：

加入一个零点，局部斜率平坦，并且可提供90°

的超前相位。

•PID调节器：

加入两个零点，局部斜率上翘，并且可提供180°

4.4闭环系统各参数确定

采用电压型控制，取输出电压作为反馈量，选用PID调节器进行调节，并且使用K因子法确定各参数的数值。

4.4.1确定相位裕量

根据设计要求，相位裕量为60，为确保校正成功，取相位裕量为70

4.4.2确定剪切频率

由于PID调节器可以提供180度相位超前

取。

4.4.3确定

由开环传递函数可以求得当，即时，

由于,所以,可得代入传递函数,可得

4.4.4各电路参数及的确定

由K因子法公式可得

由公式

可得

进而可得

解得K=27.75

已知，K=27.75，，

代入解得

表达式为：

代入得

5系统闭环电路设计

5.1基于MATLAB的闭环系统

图MATLAB下系统闭环电路

5.1.1校正后的bode图

MATLAB作出的校正后的系统bode图

图9校正前后bode图

利用MATLABSISOTOOL同样可以作出加入PID调节器系统的bode图

图10MATLABSISOTOOL作出的bode图

图中方形点为极点，圆形点为零点，由图中可以直接读出,并可以求得幅值裕量为无穷大，均符合设计要求。

5.1.2系统的闭闭环单位阶跃响应

图11闭环传递函数的单位阶跃响应

对比开环传递函数的单位阶跃响应图可知，系统响应速度加快，在0.5ms时基本达到稳态值，振荡过程大大缩短。

5.1.3闭环系统输出电压、电流波形

图12电压响应波形

图13电流响应波形

图14负载变化电流响应图15负载变化电压响应

电压电流纹波状况如下图所示

图16电流纹波图电压纹波

由图可知电压电流响应都明显快于开环系统，振荡的幅度小，振荡时间短。

电流纹波约为0.002V，电压纹波约为0.01V，均符合设计标准。

5.2基于psim的闭环电路设计

图基于PSIM的闭环电路图

在48V基础上叠加一个频率为200Hz

6设计感悟