Buck电路平均电流双闭环控制.docx

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1、Buck电路双闭环控制一引言BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输出电压UD。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L以及电容C的数值。简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，加入补偿网络，可实现闭环控制，通过采样环节得到所需电压/电流信号，再与基准值进行比较，通过闭环控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环控制系统。Buck电路的闭环控制有电压环控制、电流环控制以及二者结合的双闭环控制，此处采用双闭环控制：电流内环，

2、电压外环。根据相关的电路设计适当的补偿网络对电路进行校正，提高电路系统输出性能。二BUCK变换器主电路参数设计2.1设计及内容及要求1）输入直流电压()：50V2）额定输出电压()：15V3）额定输出电流()：1.67A4）输出电压纹波峰-峰值：5）电感电流纹波峰峰值：5）锯齿波幅值()：2.5V6）开关频率()：100kHz7）输出电压采样网络传函2.2主电路设计根据以上的对课题的分析设计主电路如下：图2-1Buck电路原理图1）占空比计算，进而有2）滤波电感设计由可知，，代入数值得，考虑到电感寄生电阻，取。3）滤波电容设计由可知，，代入

3、数值得，考虑到电容的等效串联电阻，。三Buck变换器控制器参数设计3.1电路双闭环控制结构整个系统的双闭环控制结构图如图3-1。图3-1系统总控制框图图中Gv、Gi网络传函需根据各环传函的特性设计相应的零极点以及增益值，使系统传函达到我们的目标函数。下面对电路进行分析，从电流内环的设计到电压外环的设计。3.2电流内环设计先不考虑电压环，则电流内环框图如下图3-2.图3-2电流内环控制框图未加入补偿网络Gi校正时，电路的开环传函为其中，画出其幅频特性与相频特性曲线图，如图3-3.图3-3未加补偿时系统传函伯德图由分析可知，积分环节的幅频特性为

4、一斜率为-20dB的曲线图，含一零极点。相频特性为-90度平行线。为了使电流环能迅速跟踪基值变化，加入补偿网络，设计将之前的积分环节变成如下特性曲线。图3-4计划加入补偿后的伯德图图中，含A、B两转折点，设定A处角频率，B处角频率。根据这些条件，我们可以推出所加补偿网络的传函，计算得加入了补偿环节后，系统的开环传函为由可解得，代入各数值，画出此时电路的幅频特性以及相频特性图，如图3-5.图3-5校正后系统传函伯德图3.3电压外环设计电压环控制框图如下。图3-6电压环控制框图设计电压环时，我们也希望将其开环特性设计成如下曲线。图3-7计划所要

5、设计的电压环（曲线3）上图中，曲线3为我们设计所要达到的电压环特性曲线，尽量做到D点所对应的频率小于A点所对应的频率。为在设计电压环之前，先看一个问题，由之前的电流开环可求出电流闭环传函，，其伯德图如下。图3-8电流闭环传函伯德图实际上在B点之前，对于电压环而言，电流环等效于增益为1、相角为0的环节，这样，在设计电压环时，便可对电流闭环作一简化，将其等效为一比例环节，增益为1。电压环未加入补偿时，电路开路传函为该传函频率特性曲线如下图。图3-9未加补偿网络时电压开环传函伯德图图3-9中，幅频特性中包含一个极点，一个零点。根据图3-7中的曲线

6、3以及3-9中的幅频特性曲线，可推测补偿网络传函形式：，零点由大致确定，受到限制。具体参数需要通过Saber仿真，观察输出电压和电感电流波形找到满足电路输出要求的参数。在这里，取，，。作出该补偿网络的幅频与相频特性曲线图。图3-10电压环补偿网络传函伯德图加入补偿网络后，整个电路系统的开环传函，其特性曲线如下。图3-11系统总的开环传函四Buck变换器Saber仿真4.1电流环电流跟踪仿真下图为加入了电流闭环的Buck电路，通过给定脉冲基准电流，观察电感电流跟踪情况。图4-1电流内环跟踪仿真原理图图4-2电流环仿真输出电压和电感电流波形为使

7、电感电流能更快的调节至稳定状态，调整的值，至，此时观察波形，从图可知，随着给定电流的变化，电感电流能较好的跟踪变化，从电压波形上测得通过1.49ms即可进入另一稳定状态。这说明之前电流环的设计合理，基本满足电路要求。4.2双闭环仿真双闭环电路Saber仿真图如下，设定以上设计的主电路参数以及控制电路参数。图4-2Buck电路Saber仿真模型仿真波形如下图4-3，4-4。图4-3输出电压波形图4-4电感输出波形参数，，以及比例增益通过不断调节寻找最佳值而得出。图4-3为改变增益的值的结果，从下往上，依次增加的值，可发现投载和卸载时电压尖峰有

8、所下降，到，若再往上增加的值，投载（卸载）时，电压在起初建立稳定以及之后投卸载调整过程中均会出现振荡，这无疑会增加调整时间。图4-4为电感电流波形，初始时，电流会出现尖峰，解决这