Buck电路平均电流双闭环控制.docxVIP

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，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()：50V 2） 额定输出电压()：15V 3） 额定输出电流()：1.67A 4） 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()：2.5V 6） 开关频率()：100kHz 7） 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2-1 Buck电路原理图 占空比计算 ，进而有 滤波电感设计 由可知，，代入数值得，考虑到电感寄生电阻，取。 滤波电容设计 由可知，，代入数值得，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4-2 Buck电路Saber仿真模型