1、基于PI限制方式的7A開關電源MATLA的真研究專業(yè)：電氣工程及其自動化目錄1設計要求32主電路參數(shù)計算32.1 電容參數(shù)計算42.2 電感參數(shù)計算43補償網(wǎng)絡設計53.1 原始系統(tǒng)的設計53.2 補償網(wǎng)絡相關參數(shù)計算64負載突加突卸94.1 滿載運行104.2 突加突卸80啾載104.3 電源擾動20%115小結13參考文獻13一、緒論隨著電子技術的不斷開展對電源的要求也不斷的提升,開環(huán)的電源應該說早就不能滿足要求,無論是在輸出參數(shù)的精度還是抗干擾水平方面都比不上閉環(huán)限制系統(tǒng).為了使某個限制對象的輸出電壓保持恒定,需要引入一個負反應.粗略的講,只要使用一個高增益的反相放大器,就可以到達使限制

2、對象輸出電壓穩(wěn)定的目的.但就一個實際系統(tǒng)而言,對于負載的突變、輸入電壓的突升或突降、高頻干擾等不同情況,需要系統(tǒng)能夠穩(wěn)、準、快地做出適宜的調(diào)節(jié),這樣就使問題變得復雜了.要同時解決穩(wěn)、準、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求,這就需要一定的技巧,設計出合理的限制器,用限制器來改造限制對象的特性.常用的限制器有比例積分PI、比例微分PD、比例-積分-微分PID等三種類型.本文將通過MATLA切實例來研究PI限制器的調(diào)節(jié)作用.二、BUC晦電路設計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,現(xiàn)以Buck變換器為例,依據(jù)不同負載電流的要求,設計主功率電

3、路,并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設計限制環(huán)路.2.1技術指標輸入直流電壓Vin：10V輸出電壓Vo：5V；輸出電流In：7A；輸出電壓紋波Vrr:50mV基準電壓Vref:1.5V；開關頻率fs:100kHz.2.2主電路參數(shù)計算Buck變換器主電路如圖1所示,其中Rc為電容的等效電阻.RO?gmMeCt圖11濾波電容參數(shù)計算輸出紋波電壓只與電容C的大小有關及Rc有關:(1)%_Vrrr酉L0.2In將Vrr=50mv,In=7A帶入得Rc=35.7mQ,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,但是C與Rc的乘積趨于常數(shù),約為5080廣QF.本例中取為75QF那

4、么：C=2100nF.2濾波電感參數(shù)計算當開關管導通與截止時變換器的基爾霍夫電壓方程分別如式2、3所示：AiLVIN-VO-VL-VON=L-2TONVo+Vl+Vd=L-3TOFF假設二極管白通態(tài)壓降Vd=0.5V,電感中的電阻壓降Vl=0.5V,開關管的導通壓降Von=0.5V.又由于1,、Toff+Ton-4fs所以由式2、3、4聯(lián)立可得Ton=5.6us,并將此值回代式2,可得L=17.6uH此處取18uH.3負載電阻計算VO5VRL=-=0.714QIn7A由matlab仿真,得圖2,可知當取L=17用時,電感電流在6.2A-7.6A之間脈動,符合Mw0.2In的要求三、補償網(wǎng)絡設計

5、3.1原始系統(tǒng)的設計采用小信號模型分析方法得Buck變換器原始回路增益函數(shù)G(s)為:假設PWMI齒波幅值為Vm=1.5V采樣電阻Rx=3k?,Ry=1.3k?采樣網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為：H(s)=RyRy+Rx=0.3-6c/、_1no10(1+1500X10X0.05s)Go(s)=X0.3x61.524.64X10s821+3.696X10s1一,一一4_2+1.5X10s-1+2.5X105s+3.7X108s2根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖(3)所示,MATLAB勺程序如下:num=0.0001502;den=0.0000000370.0000251;g0=tf(num,den

6、);bode(g0);margin(g0);BodeDiagram(國)窯瞿aGm=Inf,Pm=41.&deg(at9.6了巳*03rad/s>4010J10*10Frequency(rad7s>圖3如圖所得,該系統(tǒng)相位裕度40.5度,穿越頻率為1.48kHz,所以該傳遞函數(shù)穩(wěn)定性和快速性均不好.需要參加補償網(wǎng)絡使其增大穿越頻率和相位裕度,增加系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性.3.2補償網(wǎng)絡相關參數(shù)計算采用如圖4所示的PI補償網(wǎng)絡.PI環(huán)節(jié)是將偏差的比例P、積分I環(huán)節(jié)經(jīng)過線性組合構成限制量.稱為PI調(diào)節(jié)器.這種調(diào)節(jié)器由于引入了積分環(huán)節(jié)I所以在調(diào)節(jié)過程中,當輸入和負載變化迅速時,此環(huán)節(jié)

7、根本沒有作用,但由于積分環(huán)節(jié)的引入在經(jīng)過足夠長的時間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無差狀態(tài).O-3圖4采樣電壓為1.5V那么取采樣電阻R6R7分別為3K和1.3K.如下圖我采用的是MATLA的帶的PI調(diào)節(jié)器,查用戶手冊得到其傳遞函數(shù)為:TS+1Gc(s)=KTS那么系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：2k(7.5X105s+1)(Ts+1)G(s)=H;(3.7X108s2+2.5X105s+1)Ts設穿越頻率為優(yōu),那么系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性為：2&"-5(K«c)=0+arctan«cT+arctan7.5X103c-90-arctan1-(-3c色一-903)211其中二1,振蕩阻尼系

8、數(shù)V3.7X1082.5X10-5983.7X10X25為了增加系統(tǒng)的快速性,需要提升穿越頻率,一般穿越頻率以小于1/5fs較為恰當.本次取4fc=15khz,那么穿越頻率觀=2九=2X3.14X15000=9.42X10rad/s.3c將數(shù)據(jù)代入-5(Xwc)=0+arctanwcT+arctan7.5X103c-90-arctan90得/21-D2,、-二一4一一,一.一")=arctan9.42X104T+81.94-180-90相位裕度丫=180+小(d)=arctan9.42X104T-8.06一般相位裕度為50°<產(chǎn)55°貝50°<

9、;arctan9.42X104T-8.06°<55°58.06arctan9.42X104T<63.06°1.60W9.42X104T<1.971.70X105<TW2.09X105取T=2.0X10-5,將K取不同的值在MATLA比仿真得到k=20時較為理想那么PI傳遞函數(shù)為:Gc(s)=20X(2.0X105s+1)2.0X105s繪制PI傳遞函數(shù)伯德圖,程序如下:num=40e-520;den=2e-5,0;g=tf(num,den);margin(g)那么系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：Gs=6X10圖(5)8S2+3.8X103S+407.4

10、X1013S3+5X1010S2+2X105s通過matlab繪制系統(tǒng)伯彳惠圖,程序如下:num=0.0001502;den=0.0000000370.0000251;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);holdonnum=40e-520;den=2e-5,0;g=tf(num,den);margin(g);holdonnum=0.000152;den=0.0000000370.000021;f=tf(num,den);num1=40e-520;den1=2e-50;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(d

11、en,den1);margin(num2,den2)總系統(tǒng)伯德圖如下列圖：BodeDiagramFrequency(rad/s)圖6由圖可以看出矯正后的系統(tǒng)相位裕度53.7,穿越頻率為14.7kHz,系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得到改四、負載突加突卸4.1滿載運行滿載運行的電路圖如圖4所示,仿真結果如圖7所示.圖74.2突加突卸80%ft載計算參數(shù)：0.2In=1.4AVo1.4A1.4A5V=25/7Q25/7Q/Rn=5/7QRn=25/28Q負載突加突卸電路圖如圖(8)圖8仿真結果如圖9所示圖9由仿真圖可以看出系統(tǒng)具有較好的抗負載擾動水平.4.3電源擾動為系統(tǒng)電源加上20%勺變化擾動,即電源

12、電壓變?yōu)?和12,電路圖10如下圖10電源擾動仿真結果如圖11所示圖11由仿真圖的擾動波形可以看出系統(tǒng)具有較好的抗電源擾動的水平,符合設計要求O五、小結本次電源設計在BUCK1路原理的根底上建立了小信號等效電路模型,并通過對PI限制器的設計,以及使用MATALA酎電路進行仿真,根本實現(xiàn)了預定的目標,并通過負載突加突卸對電路的抗干擾性進行了驗證.完成了這次研究論文我對BUCK1路有了更為深刻的熟悉,可以較為熟練的使用MATLA歆件對電路進行仿真研究,對MATALAEfc有了一定的了解,可以通過它來精確繪制傳遞函數(shù)的伯德圖.對于這次的研究讓我們更加懂得了學好這們功課的重要性,并且也要有足夠的自學水平.在這次研究中,我遇到了很多的難題,但是在最后通過與同學的交流和上網(wǎng)查找資料及圖書館翻閱圖書,最后終于把這些難題搞懂了.我深刻的熟悉到要真正掌握知識就要學會如何熟練地運用它.平時上課,我們不能只注重課本上的知識的吸收,更要運用于實際,學好本專業(yè),也有利于我們將來的工作參考文獻1張衛(wèi)平等.開關變換器的建模與限制M.北京：中國電力出版社,2006.01.2萬山明,吳芳.開關電源(Buck電路)的小信號模型及環(huán)路設計J.電源技術應用,2004,7(3):142-145.3楊旭等.開關電源技術M.北京：機械工業(yè)出版社,2004.03.4張占松,蔡宣三.開