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1、开关电源技术基于PD控制方式的10A开关电源Matlab仿真研究一•设计要求及设计背景1•设计耍求依据技术指标设计主功率电路，采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真；掌握小信号建模的方法，建立Buck变换器原始回路增益函数；采用Matlab绘制控制对象的Bode图；根据控制对象的Bode图，分析所需设计的补偿网络特性进行补偿网络设计。采用所选择的仿真软件进行系统仿真，要求有突加、突卸80%负载和满载时的负载特性，分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。2.设计背景Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥
2、、推挽等也属于Buck族，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。然而其输出电压纹波较人，buck电路系统的抗干扰能力也不强。为了使英具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，现设计校止网络使其闭环，提高系统的能力。二.Buck变换器主电路设计1.1技术指标：输入直流电压(VIN)：12V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：10A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz；1.2主电算1.2.1主电路路及参数计图1buck主电路1.2
3、.2滤波电容计算输出纹波电压只与电容容量及ESR冇关：RC?VrrV?rr(1)?ilO.2IN电解电容生产厂商很少给出ESR,而且ESR随着电容的容量和耐压变化很大，但C与RC的乘积趋于常数，约为50^80U•QF。本次设计中取为60卩•QF,由式(1)可得：RC=25mQ,C=2400UFo1.2.3滤波电感的计算VIN?VO?VL?VON?L?iL/TON(2)VO?VL?VD?L?iL/TOFF(3)图2开关管开通及关断时的等效电路假设二极管的通态压降VD二0.5V,电感屮的电阻压降VL=0.1V,开关的导通压降VON=0
4、.5Vo利用，可得TON二4.67PS,将此值带回式(2),可得，L=14.94pHo计算如下：12?5?0.1?0.5?L?2/TON5?0.1?0.5?L?2/?10??TON?6.4?5.6?2LTON2L10??TON6.4TON?56??5.6TONTON?4.67?SL?14.94?H当L二14.94PH时，电感电流在1.95^2.10之间脉动，符合△iLW0.2IN二2A的设计要求，并且理论分析与仿真结果一致。三.Buck补偿网络设计图4Buck变换器控制图3.1原始回路有关计算采用小信号模型分析方法可得Buck变换
5、器原始回路增益函数GO(s)为:GO?s??V?l?sCRC?l?H?S??INL2(5)Vml?s?sLCR假设PFM锯齿波幅值Vm=1.5V,Rx=3KQ,Ry=l・3KQ,由此可得采用网络传递函数H(s)=0.3,原始回路直流增益A0=G0(0)=2.4o计算如下：H?s??RyRx?Ry?1.3?0.33?1.312?l?s?2400?10?6?25?10?3?lG0?s???0.3?1.5?14.94?10?61?s??s2?14.94?10?6?2400?10?60.52.4??l?s?6?10?5?l?s?29.88
6、?10?6?s2?3.6?10?8G0?0??2.4极点频率fp0???840.5Hz根据计算结果，在Matlab屮输入如下程序：num=[2.4*6*10A(-5)2.4];den=[3.6*10A(-8)29.88*10A(-6)1];H二tf(num?den);bode(H);[mag,phase,w]=bode(H);[gm,pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase/w);margin(H);display(pm);display(gm);得到原始传递函数的波特图如图5所示图5原始回路传递函数波特图3.2补
7、偿网络设计步骤步骤4本设计采用的PD补偿网络进行设计，PD补偿网络的电路图如图6所示图6PD补偿网络电路图PD补偿网络其传递函数为：1?GC?s??GCO?l?s?Z,?Z??C??P(6)?PGCO??R1?R211Z?P?z?Z?(7)R1//R2?R3C1ROR3?C1步骤2:确定补偿网络的参数。为了提高穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率fc是开关频率fs的五分之一，即fc=fs/5=20KHz设相位裕度?m?52?oPD补偿网络的零、极点频率计算公式为：fz?ffp?f20?6.89KHZ?20?58KHz(
8、8)由式(6)可得：?Z?2?fZ?43.3Krad/s(9)?P?2?fP?365Krad/sPD补偿网络直流增益为：?fc?Gc0???f???p0?2?20?1000?l????81.31(10)??840.5?2.42由式(7)、(8),可
