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1、4.4 缓冲电路设计 155 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-DC Converter）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（DC Chopper），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

2、通一段时间ton，由电源E 向L、R、M供电，在此期间，uoE。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，uo0。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。2 PWM控制器设计本组设计要求：Buck DC/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。2.1 PWM控制的基本原理1PWM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

3、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/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

4、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2.2 TL494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

5、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4 TL494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5 PWM控制原理图和工作波形图6 TL494内部框图图7 PWM控制电路接线图表1 PWM控制电

6、路器件清单 序号 名称 数量 备注 1 16脚IC插座 1 2 CT电容 1 682 3 电位器 2 4 死区电阻 1 5.1k 5 12号引脚电容 1 104 6 12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

7、电位器直至开关频率为38kHz。图8 方波3 buck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 AL N N实际 理论电感 实测电感 KT106-26 93 29 59 164uH 332.5uH表3 开环控制参数表名称 数值 型号CT 6.67nF 682RT 4.76k EOS T二

8、极管VD SR2100MOSFET IRF530N驱动电阻Rg 30 5W30J滤波电容 1977uF LXZ去耦电容Bb 45uF S7C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）18v 0 3.50 0.0 0.0718v 0.05 3.38 0.9 0.5318v 0.1 3.29 1.8 1.1118v 0.3 2.84 5.4 3.7118v 0.5 2.15 9.0 6.6618v 0

9、.7 1.63 12.6 9.5718v 0.8 1.41 14.4 10.7618v 最大 0.7 15.6 11.923.2 反馈回路设计系统框图如下：图10 Buck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

10、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。4 buck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

11、：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-09F C2=1e-9F C3=442e-9F补偿器伯德图为：图13 补偿器的伯德图加入补偿

12、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TL494 3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 12 1.47 9 8.18 9.1% 13 1.47 9 8.44 6.2%14 1.47 9 8.48 5.7%15 1.4

13、7 9 8.50 5.6%16 1.47 9 8.51 5.4%17 1.47 9 8.51 5.4%18 1.47 9 8.52 5.3%19 1.47 9 8.54 5.1%14 1.17 8 7.50 6.2%15 1.17 8 7.67 5.4%16 1.17 8 7.66 5.5%17 1.17 8 7.66 5.5%18 1.17 8 7.67 5.4%纹波电压:v=8mv4.4 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；（

14、2）限制 dldt或 dVdt；（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