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1、|天 津 理 工 大 学课程设计报告题目：数字式 Buck 变换器系统设计学生姓名 刘磊 学号 20110761 届 2014 班级 11 级 2 班 指导教师 陈鹏 专业 电气工程及其自动化 起始日期 2014 年 6 月 1 日 审核日期 2013 年 6 月 26 日|第一章 课程设计内容和要求1.1 课程设计内容本课程设计要求设计如图 BUCK 变换器主电路，+-VinQfCfLRDUb Uo+-A电路参数如下输入电压：Vin=30VDC；输出性能：Vout=15VDC；Vout(p-p)=0.2v；Iout=10A；当 Iout=0.1A 时，电感电流临界连续。负载电阻：0.1-8
2、欧开关频率：fs=200KHz。控制算法采用 PI 控制，对控制 PI 参数进行整定，进行 MATLAB 进行仿真，说明控制效果。进行程序编制。1.2 课程设计要求1、进行主电路设计，选择滤波电容、电感、MOSFET 等主电路器件。2、进行 PI 控制算法设计。3、进行 MATLAB 仿真。4、设计控制系统电路画出电路图。1.3 课程设计要点、设计步骤1、熟练掌握常用 EDA 设计软件，如 protel 等，进行原理图设计。2、采用 MATLAB 软件进行控制参数的设计。3、根据参数要求设计主电路参数。1.4 主要技术关键的分析、解决思路|1、分析 Buck 变换器基本工作原理及工作模式。2、
3、根据 Buck 变换器性能指标设计主电路参数。3、设计控制系统参数。4、进行仿真分析。第二章 系统设计方案第一节 Buck 变换器技术1.1 Buck 变换器基本工作原理Buck 电路是由一个功率晶体管开关 Q 与负载串联构成的，其电路如 1.1。驱动信号 ub 周期地控制功率晶体管 Q 的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压 uo 等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为 0。电路的主要工作波形如图 1.2。+-V i nQ fCfLRDU bU o+-A图 1.1 Buck 变换器电路U b0A00tttV i nLi LiQ O NQ O f f图
4、 1.2 Buck 变换器的主要工作波形1.2 Buck 变换器工作模态分析|在分析 Buck 变换器之前，做出以下假设： 开关管 Q、二极管 D 均为理想器件； 电感、电容均为理想元件；电感电流连续； 当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中，变换器有 2 种开关模态，其等效电路如图 1.3 所示，各开关模态的工作情况描述如下：1 开关模态 0t0t1t0t1对应图 1.3（a)。在 t0 时刻，开关管 Q 恰好开通，二极管 D 截止。此时： dtiLUoi电感中的电流线性上升，式 1-1 可写成： ononmiaxoi TiLiLU2 开关模态 1t1t2t1t2对应
5、图 1.3（b)。在 t1 时刻，开关管 Q 恰好关断，二极管 D 导通。此时： dtiLU0o电感中的电流线性下降，式 1-3 可写成： ofofminaxofmaxino TiiTLU式中 Toff 为开关管 Q 的关断时间。在稳态时， ，联解式 1-2iinf与式 1-4 可得： ioD输出电流平均值： )i21Iomnax（|+-V i nQ fCLRDU bU o+-A图 1.3(a) t0t1+-V i nQ fCLRDU bU o+-A图 1.3(b) t1t2U b0A00tttV i nLi Lit 0 t 1 t 2Q O NQ O f f图 1.3(a) t1t2的主要工
6、作波形U b0A00tttV i nLi Lit 0 t 1 t 2Q O NQ O f f图 1.3(b) t1t2的主要工作波形1.3 Buck 变换器外特性在恒定占空比下，变化器的输出电压与输出电流的关系 Uo=f(io)称为变换器的外特性。式 1-5 表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。当负载电流减小时，可能出现电感电流断续现象。图 1.4 为电感电流断续时电流波形图。由式 1-2 与式 1-4 可知，当输入电压和输出电压一定时， 为常数。由式i|1-6 可见，当负载电流减少到 时， ，此时最小负载电流 ，即0iomniiomaxominI为电感临界连续电流 ：
7、 GI 2ii1IomaxoinG由式 1-2 及式 1-5 得 ，带入式 1-7 得：i（式 1-8）)D1(L2TUIiG由上式可见，临界连续电流与占空度的关系为二次函数，当 D=1/2 时，临界连续电流达到最大值：（式 1-9）8IiGmax当电感电流断续时，即在 Toff 结束前续流二极管的电流已下降到 0，此时输出的平均电流为：（式 1-10）)Tii21TIofono（式中， 为开关管关断后电感电流持续的时间，并且：of（式 1-11）ofofninTUL1i)）（ 稳态时， ，由式 1-11 得：ofni（式 1-12）onifT将式 1-11 及式 1-12 带入式 1-10
8、得：（式 1-13）oi2GmaxoUD4I/即： ）2GmaxoioDI4/(1U/（式 1-14）0T o nT o f fLi t|图 1.4 电感电流断续时电流波形可见在电流断续区，输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关，而且与负载电流有关。第二节 Buck 变换器参数设计2.1 Buck 变换器性能指标输入电压：Vin=30VDC；输出性能：Vout=15VDC；Vout(p-p)=0.2v；Iout=10A；当 Iout=0.1A 时，电感电流临界连续。开关频率：fs=200KHz。2.2 Buck 变换器主电路设计2.2.1 占空比 D根据 Buck 变换器的性能指标要求及 Bu
9、ck 变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围：D=Uo/Ui=15/30=0.5 （式 2-1）2.2.2 滤波电感 Lf（1）滤波电感量 Lf 计算变换器轻载时，如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，占空比大为减小，也就是说开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。所以，以最小输出电流 Iomin 作为电感临界连续电流来设计电感，即 。A2.0IiominnL在 Q 关断时，由式 1-4 得：sLminoLminof(ax)f(ax) f)D1UT（=5x(1-0.
10、5) /(0.2x200)=62.5uH。 （式 2-2）由 LfLf(min)，取 Lf=62.5uH。2.2.3 滤波电容 Cf|（1） 滤波电容量 Cf 计算在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。该Buck 变换器的输出电压纹波要求 Vout(p-p)0.2v。若设 ，即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在0io时间间隔内充放电，电容充电的平均电流：2/T)(fon（式 2-8）)D1(L4TUiIfoc电容峰峰值纹波电压为：（式 2-9）)1(fC8dtIC12so2/T0cfc 因此，得： （式 2-c2sfofUL8)D(10）取 ，D=0.5 时
11、，Cf 的值最大。即：v5.0VU)p-(outc（式 2-11）F1860.2v）KHz2（68)51(VCfmax 由 CfCf(max)得，取 Cf=186uF。（2）滤波电容的耐压值输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。由于最大输出电压为 15V，则电容的耐压值为 15V。（3）滤波电容的选取由输出滤波电容的电容量 Cf=186uF，耐压值为 15V，留有一定的裕量，则选取 186uF/15V 电容。2.2.4 开关管 Q 的选取该电路的输入电压是 10V，则开关管耐压值为 10V，电流的最大值为，其开关频率为 ，因A1.0
12、2/%10A2/iIoQp ）（ KHz20f此选用的 MOSFET 管，其额定值为 。53V2.2.5 续流二极管 D 的选取 w续流二极管所承受的最大反向电压为 Vin=10V；在 时，二极管电流A10Io|的有效值为 ；续流二极管的工作频率为A07.510D1Io f=200KHz。考虑一定的裕量，选用肖特基二极管 SR150-1，其电压和电流额定值为：30V/10A。第三节 Buck 变换器闭环控制的参数设计3.1 闭环控制原理为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标，需要对变化器进行闭环控制。其工作原理为：输出电压采样与电压基准送到误差放大器，其输出经过一定的补偿后与锯齿波，即
13、调制波进行交截来控制占空比，从而控制开关管 Q 的通断，控制输出电压的稳定，同时还有具有一定的抑制输入和负载扰动的能力。图 3.1 为闭环控制电路的基本原理图。+-V i nQ fCfLRDU oAH ( s )V r e f+-G c ( s )脉 宽调 制图 3.1 Buck 电路闭环控制基本原理图G c ( s ) 1 / V m G v d ( s )G v g ( s ) Z o u t ( s )H ( s )s(refVvec )( g )(iload+ +-环 路 增 益 ： T ( s ) = H ( s ) G c ( s ) G v d ( s ) / V mT ( s
14、)图 3.2 PWM 型 DC/DC 变换器的小信号模型为了实现闭环控制，为了进一步研究参数对闭环控制的影响，建立 PWM 型DC/DC 变换器的小信号模型，如图 3.2 所示。Gc(s)为补偿器的传递函数，Gvd(s)为低通滤波器的传递函数，Vm 为载波信号的峰峰值。从小信号模型分析，|其环路增益 T(s)=H(s)Gc(s)Gvd(s)/Vm。要到到闭环控制的目的，其环路增益T(s)要满足一定的条件： 环路增益在低频段要有高增益，呈现积分特性，使系统成为误差系统； 环路增益在中频段要提供足够的相角裕度，使系统稳定； 环路增益在高频段要具有-40dB/Dec 的斜率，以抑制高频干扰。3.2
15、Buck 变换器的闭环电路参数设计3.2.1 Gvd(s)的传递函数分析+-V i nQ fCfLRDU bU o+-A在 CCM 情况下，占空比（d）到输出电压（Vo）的小信号传递函数为：（式 4-1）200zcgvd /sQ/1)s(G其中， fzpfczfLz fcLf0f0 RC1R,/,C， ）（该 Buck 变换器的输入电压为 30V，输出电压为 15V，输出电流为10A，Lf=625uH，Cf=186uF，取 RL=5m，Rc=25m，用 Mathcad 画出 Gvd(s)的幅频特性曲线及相频特性曲线，如图 3.3（a） 、图 3.3（b）所示。1103 0.01 0.1 1 10 100 1103 1104 1105 1106 1107 1108100500Gvd(s)的 幅 频 gvdf()f图 3.3（a） Gvd(s)的幅频特性曲线