buck变换器设计.docx
《buck变换器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《buck变换器设计.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
buck变换器设计
电力电子技术课程设计
题目Buck变换器设计
学院计算机与信息科学学院
专业自动化
年级2012级
学号222012321042094
姓名郑继伟
同组人付镜锋
指导教师何强黄巧莉
成绩
2014年07月26日
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）
带入数据得：
（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号在输入PWM控制器，使PWM控制器的误差信号
做出相应变化。
当输入电压
调高时，
变低，开关信号的占空比随之变小，输出电压Vo保持不变。
当输入电压
调低时，
变高，开关信号的占空比随之变大，输出电压Vo保持不变。
接上反馈回路和补偿器后，调节2号脚电位器使给定电压为1.47V。
期望的输出电压为9v。
实际输出电压，由于MOSFET问题无法达到这个值。
比预设值偏小一点，详见闭环测试表。
5问题和总结
课程设计过程中遇到的问题及解决：
1.在焊接电路板时，为了避免电路的干扰问题，尽可能地减小杂散电感和杂散电容【4】接线要尽可能的短，元件要适当的远离。
2.在接线的过程中，为了方便检查，我们接地线用了统一的黑色，电源线用了红色。
而中间接线通用了黄色。
。
总结：
大二暑假，我们开始了电力电子课程设计课程。
此次电力电子课程设计我们组虽然完成的比较快，只用了一天半的时间，加上验收有仅仅花了两天多一点的时间。
但是，在这几天里，我学到了很多知识。
这次课程设计是对我们所学课程的一次检验，更是一次实际应用。
通过此次课程设计，使我们对“电力电子技术”还有“自动控制原理”等课程有了更深入的了解。
使我们不单单局限于书本上的知识，使我们学会如何将理论知识与实际应用结合起来。
更让我们看到了理论和实践的差距，锻炼了自己解决实际问题的能力。
在此次课程设计过程中，我遇到的问题还是很多的。
一开始拿到这个题目时，不知道如何下手，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠自己所学的知识根本解决不了，我们去图书馆以及网站找了很多资料，包括焊接电路时的要点，以及要注意的东西。
电路调试的过程中，要学会保护自己电路板以及上面的器件，避免让其大电流长时间工作等等。
很多都是课本上没有的东西，但是在这次课程设计中发挥了很大的作用，也使我感觉特别充实。
然后在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不深刻，掌握得不牢固，以后还要努力。
通过这次课设，发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。
注:
验收文件分散在了论文中，没有单独列出。
参考文献：
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京.机械工业出版社,2010.1.
[2]李牛，MotorolaTL494手册.
[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京.科学出版社,2007.6.
[4]杨凤彪,杨怡君,闫英敏,赵霞.RC缓冲电路的优化设计.2008.5
附录：
所用MATLAB程序代码如下：
clc;
clearall;
%LΪµç¸Ð£¬CΪÂ˲¨µçÈÝ£¬fsΪ¿ª¹ØƵÂÊ£¬VmΪ¾â³Ý²¨µÄ·åÖµ£¬VgΪÊäÈëµçѹ£¬RΪ¸ºÔصç×裬HΪ·´À¡ÏµÊý£¬VoΪÊä³öƽ¾ùµçѹ£¬IoΪÊä³öƽ¾ùµçÁ÷£¬
%dIΪÎƲ¨µçÁ÷£¬dI_maxΪ×î´óÎƲ¨µçÁ÷£¬duΪÎƲ¨µçѹ
L=332.5*10^（-6）;C=6.67*10^（-9）;fs=38*10^3;Vm=3;Vg=18;R=10;H=0.164;Vo=9;
C1=442*10^-9;
C2=1*10^-9;
C3=20*10^-9;
R1=6*10^3;
R2=6*10^3;
R3=25;
D=Vo/Vg;
G0=tf（[Vg*H/Vm],[L*CL/R1]）
figure
（1）
margin（G0）;
dI=Vg/L/fs*D*（1-D）;
Io=Vo/R
Io_min=Io-dI/2;
Io_max=Io+dI/2;
ifIo_min<=0.2
s1='×îСµçÁ÷Ϊ:
';
s2=num2str（Io_min）;
s3=',';
s4='ʵ¼Êµç·¿ÉÄÜÒª¶ÏÁ÷ÁË';
s5=[s1,s2,s3,s4]
msgbox（s5,'×îСµçÁ÷'）
end
dI_max=Vg/4/L/fs;%×î´óÎƲ¨µçÁ÷
du=Vo*（1-D）/8/L/C/fs/fs;%ÎƲ¨µçѹ
[Gm0,Pm0,Wcg0,Wc0]=margin（G0）%Wc0Ϊ¼ôÇÐƵÂÊ£¬Wc0/2/pi¾ÍÊÇÔöÒ潻ԽƵÂÊfg,Wcg0Ϊ´©Ô½ÆµÂÊ
num=conv（[C1*R21],[（R1+R3）*C31]）;
den1=conv（[（C1+C2）*R10],[R3*C31]）;
den=conv（den1,[R2*C1*C2/（C1+C2）1]）;
Gc=tf（num,den）;
figure
（2）
bode（Gc）;
G=series（Gc,G0）;
figure（3）
margin（G）
[Gm1,Pm1,Wcg1,Wc1]=margin（G）;%Wc1Ϊ¼ôÇÐƵÂÊ£¬Wc1/2/pi¾ÍÊÇÔöÒ潻ԽƵÂÊfg,Wcg1Ϊ´©Ô½ÆµÂÊ
升级会员 