開關(guān)電源技術(shù)

1、基于PD控制方式的10A開關(guān)電源Matlab仿真研究1. 設(shè)計要求及設(shè)計背景1.設(shè)計要求依據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計主功率電路，采用參數(shù)掃描法，對所設(shè)計的主功率電路進行仿真；掌握小信號建模的方法，建立Buck變換器原始回路增益函數(shù)；采用Matlab繪制控制對象的Bode圖；根據(jù)控制對象的Bode圖，分析所需設(shè)計的補償網(wǎng)絡(luò)特性進行補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。采用所選擇的仿真軟件進行系統(tǒng)仿真，要求有突加、突卸80%負載和滿載時的負載特性，分析系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)壓精度和動態(tài)響應(yīng)速度。2.設(shè)計背景Buck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓撲如正激、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，其優(yōu)點有輸出電流紋波小，結(jié)構(gòu)簡單，變比可調(diào)，實現(xiàn)

2、降壓的功能等。然而其輸出電壓紋波較大，buck電路系統(tǒng)的抗干擾能力也不強。為了使其具抗干擾能力，輸出電流達到所需的等級，減小其電壓紋波，現(xiàn)設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)使其閉環(huán)，提高系統(tǒng)的能力。二Buck變換器主電路設(shè)計1.1技術(shù)指標(biāo)：輸入直流電壓(VIN)：12V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：10A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz；1.2主電路及參數(shù)計算1.2.1主電路圖1 buck主電路1.2.2濾波電容計算輸出紋波電壓只與電容容量及ESR有關(guān)：（1）電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，而且ESR隨著電容的容量和耐壓變化很大，但C與

3、RC的乘積趨于常數(shù)，約為5080·F。本次設(shè)計中取為60·F，由式（1）可得： RC=25m，C=2400F。1.2.3濾波電感的計算 （2）（3） （4）圖2 開關(guān)管開通及關(guān)斷時的等效電路假設(shè)二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關(guān)的導(dǎo)通壓降VON=0.5V。利用，可得TON=4.67S，將此值帶回式（2），可得，L=14.94H。 計算如下:當(dāng)L=14.94H時，電感電流在1.952.10之間脈動，符合iL0.2IN=2A的設(shè)計要求，并且理論分析與仿真結(jié)果一致。三Buck補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖4 Buck變換器控制圖3.1原始回路有關(guān)計算采用小信號模

4、型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)G0（s）為：（5）假設(shè)PFM鋸齒波幅值Vm=1.5V，Rx=3K，Ry=1.3K,由此可得采用網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)H（s）=0.3，原始回路直流增益A0=G0（0）=2.4。計算如下：極點頻率根據(jù)計算結(jié)果，在Matlab中輸入如下程序：num=2.4*6*10(-5) 2.4;den=3.6*10(-8) 29.88*10(-6) 1;H=tf(num,den);bode(H);mag,phase,w=bode(H);gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w);margin(H);display(pm);display(gm);得到

5、原始傳遞函數(shù)的波特圖如圖5所示圖5 原始回路傳遞函數(shù)波特圖3.2補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計步驟步驟1： 本設(shè)計采用的PD補償網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計，PD補償網(wǎng)絡(luò)的電路圖如圖6所示圖6 PD補償網(wǎng)絡(luò)電路圖PD補償網(wǎng)絡(luò)其傳遞函數(shù)為： ， （6） , ,（7）步驟2 ：確定補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。為了提高穿越頻率，設(shè)加入補償網(wǎng)絡(luò)后開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率fc是開關(guān)頻率fs的五分之一,即fc=fs/5=20 KHz設(shè)相位裕度。PD補償網(wǎng)絡(luò)的零、極點頻率計算公式為： （8）由式（6）可得： (9)PD補償網(wǎng)絡(luò)直流增益為：（10）由式（7）、（8），可得PD補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)GC(s)為：（11）根據(jù)上面計算，在Matlab中輸入如下程序

6、:num=81.31*2.3*10(-5) 81.31;den=2.74*10(-6) 1;H=tf(num,den);bode(H);mag,phase,w=bode(H);gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w);margin(H);display(pm);display(gm);可繪出PD補償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)GC(s)的波特圖如圖7所示，圖7 PD補償網(wǎng)絡(luò)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （12） 由以上數(shù)據(jù)，輸入程序：num=2.4*81.31*2.3*10(-5) 81.31;den=9.86*10(-14) 3.6*10(-8) 32.62*10(-6) 1;H=tf(num,den);bode(H);mag,phase,w=bode(H);gm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w);pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w);margin(H);display(pm);display(gm);所得波特圖如圖8所示，由Matlab繪制的波特圖可知，滿足設(shè)計要求圖8 系統(tǒng)總回路傳遞函數(shù)波特圖3.3補償網(wǎng)絡(luò)電路中的參數(shù)計算由式（7）的三個計算公式可得：(13)設(shè)R1=R2=30K，由上式可得：R0=0.738K，R3=1.59K，C1=1.72nF（注:在實際電路中，取：R0