BUCK变换器设计

BUCK变换器设计报告

一、BUCK变换器原理

降压变换器（Buck Converter）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源。

二、BUCK主电路参数计算及器件选择

1、BUCK变换器的设计方法

利用MATLAB和PSPICE对设计电路进行设计，根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数，建立仿真模型，并进行变换器开环性能的仿真，再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计，比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等，选取性能优良的模型进行电路搭建。

2、主电路的设计指标

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输入电压：标称直流48V，范围43~53V

输出电压：直流24V，5A

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

3、BUCK主电路

主电路的相关参数：

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1开关周期：TS=fs=4×10-6s

占空比：当输入电压为43V时，Dmax=0.55814

当输入电压为53V时，Dmin=0.45283

输出电压：VO=24V 输出电流IO=5A

纹波电流：ΔiL=0.25A

纹波电压：ΔVL=100mV

Vin-max-vo2L电感量计算：由ΔiL=DTS得：

Vin-max-vo5324ΔiLDminTS=20.25×0.4528×4×10-6=1.05×10-4H L=2ΔiL电容量计算：由ΔVL=8CTS得：

ΔiL0.25ΔVLTS=80.1×4×10-6=1.25×10-6F C=8而实际中，考虑到能量存储以及输入和负载变化的影响，C的取值一般要大于该计算值，故取值为120μF。

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实际中，电解电容一般都具有等效串联电阻，因此在选择的过程中要注意此电阻的大小对系统性能的影响。通常钽电容的ESR在100毫欧姆以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR甚至高达数欧。ESR的高低与电容的容量、电压、频率和温度等多因素有关，一般对于等效串联电阻过大的电容，我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。此处取RESR=50mΩ。

4、主电路的开环传递函数

1R//(RESR)VO（s）sCGvd（s）Vin1d(s)sLR//(RESR)sC

(sRESRC1)VinGvd（s）RESRL21sLC(1)s(RESRC)RR

1Gvd(s)1s22szsQ0Vin0

1zCRESR

01

1Q0RESRLRESRLC（1）（）R RC

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取RESR=50mΩ，R=4.8Ω，C=120μF，L=105μH，Vin=48V，

可得传递函数为：

2.88104s48Gvd(s)8251.2731310s2.787510s1

在MATLAB中根据开环传递函数画出Bode图：

>> clear

>> num0=[2.88e-4,48];

>> den1=[1.27313e-8,2.7875e-5,1];

>> bode(num0,den1)

>> [kg,gm,wkg,wgm]=margin(num0,den1)

>> grid

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相角裕量23.0483，显然不符合设计要求，考虑对其增添闭环控制回路进行校正。

5、主电路的PSIM仿真

电路如下：

电流I1波形如下：

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电压V1波形如下：

三、BUCK变换器控制框图

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BUCK变换器的控制器主要有电压型控制和电流型控制，其各自电路图如下所示

①电压型：

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②电流型：

电压型控制原理是将开环电路的输出电压进行采样，采样信号H（s）与基准电压VREF输送到误差放大器，G（s）设计的有源串联校正PID环节。其输出经过补偿在经过PWM，调制后的信号控制开关Q的通断，以此来控制输出电压的稳定，达到闭环控制的目的；电流型控制用通过功率开关的电流波形替代普通PWM的载波信号，每个开关周期之初，由时钟脉冲置位RS触发器，于是Q1导通，之后iL逐渐增加，当iL大于调制信号时，比较器翻转并复位RS触发器，Q1关断。综合考虑难易程度和功能特性，本设计采用电压型控制电路。

采用电压型控制电路的BUCK转换器原理框图如下所示：

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Gvd（s）为开环增益，Gc（s）×GPWM为调节器，H为反馈因子。

则该框图的闭环增益为：

TGvd(s)H(s)Gc(s)GPWM

三、K--因子法设计控制器

调节器类型有三种：

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PID调节器性能最佳。搭建好闭环电路，确定串联PID校正环节，确定新的开环剪切频率和相位裕量，确定控制回路中各个电阻电容的取值，这一工作可采用K--因子法完成，K--因子法设计步骤是：

①确定新的剪切频率；

②确定校正前处的相角和校正后的相位裕量，计算需要的相位超前量。计算公式为

bc'-c90

③基于确定K值，PID调节器公式为：

b（2tan1K-tan11）K

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Ktan（b44

）④基于K--因子确定补偿器的零点、极点位置，并计算调节器参数。公式为：

K1cGbR1(C2C3)

fp11Kfc2R2C1

1KfcC2C32R3C2C3

fp2fc1fZ1K2C1(R1R2)

fc1fZ2K2R3C3

⑤校正环节传递函数如下为：

ss(1)(1)Gbc2fZ12fZ2Gc(s)Ks(1s)(1s)2fp12fp2标准文案

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取cf15.5kHz c163 K23.1138

计算得

R15500

R2248.7196

R327393.5964

C18.5873nF

C28.1493102nF

C31.8021nF

校正环节传递函数为

s(1)22231063.8620257.04Gc(s)s23.1138s(12)468217.07四、MATLAB SISOTOOL

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利用以上求得的数据，用MATLAB的SISOTOOL工具箱可以画出加入补偿器后的传递函数BODE图如下

幅值裕量、相角裕量均满足设计要求

五、PSIM仿真结果

1、带有PID调节器的PSIM电路如下所示：

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2、将R1、R2、R3、C1、C2、C3参数输入以上电路，仿真结果如下：

VO波形如下

将X坐标轴改为0.004到0.0045范围

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IO波形如下

将X坐标轴改为0.004到0.0045范围

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电流电压纹波均满足设计要求。

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