基于PI控制方式的9A开关电源-Psim仿真研究.doc

基于PI控制方式的9A开关电源 Psim仿真研究

学院：电光学院
专业：电气工程及其自动化
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学号：

一、引言
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、推挽等也属于Buck族，现以Buck变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。开关调节系统常见的控制对象，包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。这次的课程设计，根据不同的负载电流、控制方式、仿真软件，每个人可以从中学到很多。
二、实验目的
(1)了解Buck变换器基本结构及工作原理；
(2) 掌握电路器件选择和参数的计算；
(3)学会使用psim仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真；
（4）学会使用psim仿真软件对控制环节的仿真技术；
（5）学会分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。
三、技术指标
输入直流电压（V）：10V
输出电压V:5V
输出电流I：9A
输出电压纹波V:50mV
基准电压V:1.5V
开关频率f:100KHZ

四、 主电路的功率设计
(1)滤波电容参数计算
输出纹波电压只与电容C的大小有关及Rc有关：
（1）
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，但是C与Rc的乘积趋于常数，约为。本例中取为。由式(1)可得Rc=27.78mΩ，C=2707μF。
(2)滤波电感参数计算
当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式（2）、（3）所示：
（2）
（3）
假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管的导通压降VON=0.5V。带入（2）（3）式可得T=5.6,T=4.4,L=13.7。
2.1当L=10时，输出电压和电流波形以及输出电压和电流的纹波如图所示

2.2当L=13.7时，输出电压和电流以及它们的纹波如下图：

2.3当L=30时，输出电流电压以及它们的纹波如下图：

五、原始系统的设计
(1)采用小信号模型分析方法得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为：

假设PWM锯齿波幅值为Vm=1.5V，采样电阻。
采样网络的传递函数为：

=
根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图5所示，MATLAB的程序如下：
num=[0.00015 2];
den=[0.0000000371 0.0000245 1];
g0=tf(num,den);
bode(g0);
Margin(g0);

如图所得，该系统相位裕度 为41.4度，穿越频率为1.54khz,所以该传递函数稳定性和快速性均不好。需要加入补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度， 使其快速性和稳定性增加。
补偿网络的设计。
(2)采用如图6所示的PI补偿网络。 PI环节是将偏差的比例（P）、积分(I)环节经过线性组合构成控制量。称为PI调节器。这种调节器由于引入了积分环节（I）所以在调节过程中，当输入和负载变化迅速时，此环节基本没有作用，但由于积分环节的引入在经过足够长的时间可以将系统调节到无差状态。

PI补偿网络传递函数为：

系统总的传递函数为：

设穿越频率为，则系统的对数幅频特性为：

其中，振荡阻尼系数
为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率，一般穿越频率以小于1/5较为恰当。本次取=15khz，则穿越频率。
将数据代入得

相位裕度
一般相位裕度为：
则

取,k=20.
则PI传递函数为：

(3)绘制PI传递函数伯德图如图7所示，程序如下：
num=[40e-5 20];
den=[2e-5,0];
g=tf(num,den);
margin(g)

通过matlab绘制系统伯德图如图8所示，程序如下：
num=[0.000150 2];
den=[0.0000000371 0.0000245 1];
g0=tf(num,den);
bode(g0);
margin(g0);
hold on
num=[40e-5 20];
den=[2e-5,0];
g=tf(num,den);
margin(g);
hold on
num=[0.00015 2];
den=[0.000000045 0.00003 1];
f=tf(num,den);
num1=[40e-5 20];
den1=[2e-5 0];
g=tf(num1,den1);
num2=conv(num,num1);
den2=conv(den,den1);
margin(num2,den2)

由图可得系统的相位裕度为52.6度，穿越频率为1.27e+004Hz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。
总的传递函数为：

六、参数计算及电路仿真
一、80%的负载突加突卸电路参数计算：

（1） 满载运行时，仿真结果及输出纹波如图所示，
（2）

（3） 突加突卸80%负载，仿真结果如图所示：

突加80%负载电压有0.2v的波动，恢复时间为0.15ms，对负载的扰动PI调节具有一定的调节能力，恢复时间较短。

（3）电源扰动
电源扰动20%，电压变化范围9.6V~14.4V.
电路图和仿真如下图所示：

当电源出现20%的扰动时，电压变化不足0.1v，系统对电源的扰动具有良好的抗干扰能力。

小结
通过近几个星期的研究，让我对开关电源BUCK变换器有了一定的了解，并且掌握了Psim仿真软件的应用。了解了Buck变换器基本结构及工作原理，掌握了电路器件选择和参数的计算，并且学会使用PSIM仿真软件对所设计的开关电源进行仿真。因为我所选择的Psim画图仿真还是比较简单的，有希望不会的问一下同学也就懂了。同时也让我意识到了自己的不足，理论知识不够完善，因为理论与实际相结合是非常重要的。
平时我们只是对书本上的知识进行一定的学习，如果不经过实践对他的了解还是远远不够的，这次的打报告让我有机会去对开关电源进行仿真研究，虽然一开始觉得字是自己去研究这个软件的应用还是比较难的，但是通过自己的努力学会如何熟练地运用它还是比较自豪的。平时上课，我们不能只注重课本上的知识的吸收，更要运用于实际，学好本专业，也有利于我们将来的工作。这次学习学到的不仅仅是开关电源的仿真，还让我接触使用了matlab ，相信对以后的学习研究也有帮助。
参考文献
[1]张占松主编 《开关电源技术教程》 机械工业出版社，2012
[2]王兆安，黄俊主编 《电力电子技术》 机械工业出版社，2000
[3]黄忠霖，周向明主编《控制系统MATLAB计算及仿真实训》国防工业出版社
[4]陈丽兰主编 《自动控制原理》 电子工业出版社，2006

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