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1、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 、主电路的设计指标输入
2、电压：标称直流48V ，围 4353V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： 10dB3 、BUCK主电路主电路的相关参数：开关周期： TS= 1 =4 10 -6 sfs占空比：当输入电压为43V 时， D max =0.55814当输入电压为53V 时， D min =0.45283输出电压： V O =24V输出电流 IO=5A纹波电流：iL =0.25A纹波电压：V L =100mV电感量计算：由i L= V in - max - vo DT S 得：2LL= V in - max - voD m
3、in TS=5324 0.4528 4 10 -6 =1.05 2 iL20.2510 -4H电容量计算：由V L =iL8CTS得：C=i LTS= 0.25 410 -6 =1.25 10 -6 F8VL8 0.1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 120 F。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
4、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 =50m 。4 、主电路的开环传递函数V O（ s）R /( RESR1 )Gvd （ s）sCV ind ( s)1sL R /( RESR)sC(sR C1)VinG （s）ESRvd2RL1 s LC(1ESR)s(R C)RRESRG vd ( s )11sszV in2s02Q01zCR ESR1Q 010RESRLRESRLC （1）（RR）C取 RESR =50m ，R=4.8 ，C=120 F ，L=105 H ，V in =48V ，可得传递函数为：2.88 10 4 s 48Gvd (s)8 s2
5、2.7875 105 s 11.27313 10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：电压 V1 波形如下：三、 BUCK 变换器控制框图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电压型：电流型：电压型
6、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：Gvd （s
7、）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：TGvd(s)H(s)Gc(s)GPWM三、 K- 因子法设计控制器调节器类型有三种：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：确定新的剪切频率；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bc-c90基于确定 K 值， PID 调节器公式为：（1K - tan11）b2 tanKbKtan （）基于 K- 因子确定补偿器的零点
8、、极点位置，并计算调节器参数。公式为：K1cG b R1( C 2C 3 )1f p1K fc2 R2C11fp 2K fcC 2C32 R3C2C3fc1f Z1f Z2K2 C1(R1R2)fc1K2 R3C3校正环节传递函数如下为：(1ssG b)(12)c2 f Z 1fZ 2G c( s)ssKs (1)(12)2 fp 1fp 2取 fc15.5kHzc163K23.1138计算得R15500R2248.7196R327393.5964C18.5873nFC28.1493 10 2 nFC31.8021nF校正环节传递函数为2231063.86(1s)220257.04Gc(s)s23.1138s(1)2468217.07四、 MATLAB SISOTOOL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：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 围IO 波形如下将 X 坐标轴改为 0.004 到 0.0045 围电流电压纹波均满足设计要求。