BUCK變換器設(shè)計

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計題 目 Buck變換器設(shè)計學 院 專 業(yè) 自動化年 級 2008級學 號 姓 名 同 組 人 指 導(dǎo) 教 師 成 績 2010年7月目 錄1、引言.32、設(shè)計要求.33、設(shè)計原理.33.1、SG3525工作原理.33.2、降壓斬波電路工作原理.53.3、超前-滯后校正器原理.64、Buck變換器的設(shè)計. .74.1、控制回路的設(shè)計.7 4.1.1 控制回路接線、焊接電路.7 4.1.2 檢測控制回路的輸出波形.7 4.1.3 遇到問題及解決方法.74.2、主回路的設(shè)計.84.2.1 主回路參數(shù)的計算.84.2.2 控制回路的接線、焊接.84.2.3 控制回路的觀測、調(diào)試、記

2、錄數(shù)據(jù).94.2.4 遇到的問題以及解決方法.94.3、超前-滯后校正系統(tǒng).94.3.1 校正器的參數(shù)計算 .124.3.2 校正器的接線、焊接.134.3.3 閉環(huán)回路的檢測及調(diào)試.134.3.4 遇到的問題及解決方法.135、總結(jié).135.1 實踐經(jīng)驗.135.2 心得體會.13參考文獻.14附錄Buck變換器設(shè)計1 引言通常我們所用的電力有交流和直流兩種。從公共電網(wǎng)中得到的電力是交流，從蓄電池中得到的是電力是直流。從這些電源得到的電力往往不能直接滿足要求，需要進行電力變換。降壓斬波電路（Buck Chopper）是直流斬波電路（DC Chopper）的一種，根據(jù)它設(shè)計可得到的Buck變換

3、器顯而易見就是一種DC-DC的電壓變換器。很據(jù)課題要求，要求設(shè)計一個閉環(huán)的Buck變換器系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：一是控制回路，由SG3525芯片組成的PWM脈沖發(fā)生器構(gòu)成；二是主回路，包括電阻、電感、電容等器件；三是一個超前滯后校正器，使得輸出的電壓保持穩(wěn)定。計算所設(shè)計的主電路和超前滯后校正器的參數(shù)電阻、電感、電容等的值是多少，選擇適當?shù)钠骷?，按照原理圖進行布線焊接，并分別在控制回路，主電路，和超前滯后校正器焊接好之后對其進行檢測，檢測是否達到達到閉環(huán)控制的要求。在設(shè)計過程中要聯(lián)系實際，主要給有些電路添加保護回路。2 設(shè)計要求1.設(shè)計一個Buck DC-DC變換器。2.電源電壓=2025

4、V3.瞬時電流（最大電流）不能超過0.5A（由于電源限制）4.開關(guān)頻率30KHz5.要求輸出電壓=10V6.電感電流不斷續(xù)7.電容給定為3308.必須完成閉環(huán)設(shè)計（實現(xiàn)補償網(wǎng)絡(luò)）3 設(shè)計原理3.1 SG3525工作原理1SG3525是電流控制型PWM控制器，通過SG3525實現(xiàn)對MOSFET的開通與關(guān)斷的控制，其原理和所得到的波形分別入如圖1和圖2所示。其中，腳16是基準電源輸出端，精度可以達到5.1V。15腳是芯片偏置電源接入端，在本次設(shè)計中選取的是16V作為輸入。我們設(shè)計中需要的矩形波形是從11腳和14腳這兩個腳輸出的，且11腳和14腳是互不輸出端。SG3525芯片的內(nèi)部含有一個兩級差分放

5、大器，在設(shè)計校正器的時候，腳1和腳2分別是差分放大器的反相輸入端和同相輸入端。除此之外，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)。圖 1 SG3525內(nèi)部框圖圖2 PWM控制原理圖和工作波形3.2 降壓斬波電路工作原理2 降壓斬波電路的原理圖如圖3所示：圖3 降壓斬波電路原理圖 在的時刻驅(qū)動S導(dǎo)通，輸入電壓開始向負載供電，負載電流呈指數(shù)曲線上升。 當時刻，控制S關(guān)斷，負載電流鏡二極管續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為使負載電流連續(xù)且脈動較小，通常使傳亮的電感的值較大。至一個周期結(jié)束，再驅(qū)動導(dǎo)通，重復(fù)上一周期過程。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，

6、負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為：式中，為處于通態(tài)的時間，為處于斷態(tài)的時間，為開關(guān)周期，為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取？梢?，輸出到負載的電壓平均值最大為，減小占空比，隨之減小。3.3 超前滯后校正器原理3 圖4所示為超前-滯后校正器的框圖圖4 超前滯后校正系統(tǒng)超前滯后校正兼有滯后校正和超前校正的優(yōu)點，即已校正系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，超調(diào)量較小，抑制高頻噪聲的性能也較好。當待校正系統(tǒng)不穩(wěn)定，且要求校正后系統(tǒng)的響應(yīng)速度、相角裕度和穩(wěn)態(tài)精度較高時，以采用超前-滯后校正為宜。其基本原理是利用超前-滯后網(wǎng)絡(luò)的超前部分來增大系統(tǒng)的相角裕度，同時利用滯后部分來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。在原Bu

7、ck降壓斬波的控制回路中再加入一個超前滯后校正器，使得系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠得到穩(wěn)定的輸出電壓，達到控制要求。根據(jù)圖4，電流連續(xù)時Buck變換器占空比至輸出的傳遞函數(shù)為：其中R是負載電阻。PWM的傳遞函數(shù)為：其中Vm是鋸齒波的峰值。未校正前的開環(huán)傳函： 4 Buck變換器的設(shè)計4.1 控制回路的設(shè)計控制回路的原理圖如下圖5所示： 圖5 控制回路接線圖4.1.1 控制回路接線、焊接電路按照控制回路原理圖進行接線。其具體接線方法是：將芯片SG3525的腳1和腳9短接；將電位器103的中間腳和旁邊一個腳分別接在16腳和12腳，電位器的另外一個腳接地；腳5與0.01F的電容103相連，電容的另一個腳接地；

8、腳6接電位器503的其中一個腳，電位器的中間腳接地；腳7個腳5之間連接一個大小為0500的電阻，本次設(shè)計中選取47的電阻；12腳接地；在13腳處并聯(lián)一個大小為0.1F的電容和一個大小為100的電阻，并將電容的另外一端接地，電阻的另外一段接高電平；15腳接電源，本次設(shè)計使用的輸入電壓為16V。根據(jù)所接線路進行焊接。4.1.2 檢測控制回路的輸出波形用示波器觀察11腳和14腳的輸出電壓波形，可觀測到期望輸出的方波波形，調(diào)節(jié)電位器503到課題要求的頻率，調(diào)節(jié)電位器103可調(diào)節(jié)其占空比，從而得到期望輸出的電壓值。這樣控制回路就是成功了。4.1.3 遇到問題及解決方法在觀測波形的時候我們可能會遇到一些問

9、題，比如得到的波形不是方波而是不穩(wěn)定的其他波形，那么可以通過503適當?shù)恼{(diào)節(jié)頻率，就可以得到期望的方波。另外，也可以將SG3525芯片的10腳接地再進行觀測，或是將15腳和12腳之間接一個0.01F的電容。為避免SG3525被燒壞，在1腳和5腳之間接一個保護電容。4.2 主回路的設(shè)計主回路電路圖如下圖6所示：圖6 主回路電路圖4.2.1 主回路參數(shù)的計算根據(jù)課題要求，輸入電壓為2025V,這里我們選定為20V。因為輸入=20V,輸出=10V，所以D=1/2。要求的開關(guān)頻率是30KHz。由于要求瞬時電流（最大電流）不能超過0.5A，所以根據(jù) 可以得到,所以選取電感681又由于得，所以選取電阻為4

10、7。要求電流連續(xù)，所以,帶入所求的電感電阻，能滿足電流連4.2.2 控制回路的接線、焊接 按照原理圖進行接線，將11腳或14腳的輸出接到MOSFET管的柵極（G極），本次設(shè)計接在14腳，然后進行焊接。4.2.3 控制回路的觀測、調(diào)試、記錄數(shù)據(jù) 再次使用示波器觀察輸出波形是否還是矩形波，調(diào)節(jié)電位器103來調(diào)節(jié)占空比一達到期望的輸出電壓10V。這樣主電路就是完成了。 記錄下矩形波的實際頻率是6.32KHZ；觀測5號腳的鋸齒波，記錄下鋸齒波的峰峰值為3.2V。4.2.4 遇到的問題以及解決方法焊接電路的時候應(yīng)當注意MOSFET管有字的一面一次對應(yīng)的是柵極（G極）、漏極（D極）、源極（S極）。其中G極

11、與控制回路中芯片SG3525的11腳或是14腳，D極接電源20V，S極接負載端。在這個環(huán)節(jié)中遇到的最大問題就是，由于SG3525芯片本身的性質(zhì)，其輸出的占空比最大不能超過50%，所以在輸入電壓為20V的情況下我們根本就無法得到期望的輸出電壓10V。為解決這個問題，我們將11腳和14腳并聯(lián)并通過兩個二極管最后都接入到MOSFET管的G極，這樣就增大占空比以達到期望電壓10V。在實際觀測中，由于電容的質(zhì)量存在問題和二極管也有一定的管壓降，導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果存在一些誤差，這是難免的。4.3 超前-滯后校正系統(tǒng)的設(shè)計閉環(huán)回路的電路圖如下圖7所示：圖7 閉環(huán)回路電路圖4.3.1 校正器的參數(shù)計算 開環(huán)下，傳遞

12、函數(shù)Gvd為：帶入數(shù)據(jù)得：原始回路增益函數(shù)為：帶入數(shù)據(jù)得：用MATLAB得開環(huán)下系統(tǒng)的伯德圖為：圖8校正前的Bode圖相角裕度只有2.1度,過低，不滿足設(shè)計要求。需加入補償器。由前面已知，補償器的傳遞函數(shù)為：有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)有兩個零點、三個極點。零點為：,極點為：為原點，頻率與之間的增益可近似為:在頻率與之間的增益則可近似為：考慮達到抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取 （為開關(guān)頻率）開環(huán)傳函的極點頻率為，將兩個零點的頻率設(shè)計為開環(huán)傳函兩個相近極點頻率的，則：。將補償網(wǎng)絡(luò)兩個極點設(shè)為以減小輸出的高頻開關(guān)紋波。 根據(jù)已知條件使用MATLAB程序（源代碼見附錄）算得校正器Gc（s）各元件的

13、值如下：取 R2=10000 H(S)=1/5算得：C1=9.4811*10-8 F；C2=1.5915*10-9 F；C3=9.8728*10-9 F;R1=96033;R2=10000;R3=1612;補償器伯德圖為：圖9 校正器Bode圖校正后的Bode圖為：圖10 校正后系統(tǒng)Bode圖可見此時相角裕度為46.1，滿足設(shè)計要求。4.3.1 校正器的接線、焊接根據(jù)上述計算結(jié)果，于是選取器件為：C1為104；C2為224；C3為103；Rx為1K；Ry為4K；R1為100K;R2為10KR3為1K和5.6K和1K的電阻串聯(lián)。按照原理圖進行接線，焊接。將原來開環(huán)回路中的腳1 和腳9斷開，在它們

14、之間接入反饋網(wǎng)絡(luò)，得到閉環(huán)回路。4.3.2 閉環(huán)回路的檢測及調(diào)試接通電源，調(diào)節(jié)輸入電壓，這時可以觀測到輸出電壓保持不變，用示波器觀測14腳的輸出波形，可以看到隨著輸入的變化，占空比發(fā)生變化，即是輸入電壓變大則占空比變小，輸入電壓變小則占空比變大，即輸出電壓不隨輸入電壓的改變而改變。這就是閉環(huán)成功了。但是本組在本次設(shè)計中出現(xiàn)了一點小問題，最后閉環(huán)回路沒有起作用，即閉環(huán)失敗了。4.3.3 遇到的問題及解決方法在這個環(huán)節(jié)中遇到的問題就是由于實驗室的器材限制，不能完全滿足根據(jù)理論值來找到相應(yīng)得器件，于是需要我們對某些器件進行串并聯(lián)或是取其近似值來達到課題要求。5 總結(jié)5.1 實踐經(jīng)驗 通過本次對Buc

15、k變換器的設(shè)計，我們知道了在做課程設(shè)計的時候，必須要先理解設(shè)計的目的和要求，通過計算來確定所需要使用的元器件。在實際的電路焊接中，應(yīng)該先對整個電路板進行布局，合理的安排元件的位置。然后進行接線、焊接，在焊接時要注意有些器件容易被燒壞。當實際所得到的結(jié)果與期望的結(jié)果不一樣時，可以適當?shù)奶砑右恍┢骷磔o助。有些電路要加入一些保護電容來避免元件被燒壞。在焊接完成后，運行電路對每個功能進行檢驗。如果存在問題就首先檢查電路是否存在短路的地方，或是虛焊的情況，再看線路是否接正確，或者檢查器件是否有問題或被燒壞，從而完善電路板。5.2 心得體會做了一周的課程設(shè)計，使我有很多的心得體會，可以說這次Buck變換

16、器的設(shè)計是在大家的共同努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。通過這次課程設(shè)計，使我加深了對電力電子技術(shù)這門課的理解，這次的課程設(shè)計還結(jié)合了電力電子技術(shù)和自動控制原理這兩門課，以前我總是覺得理論結(jié)合不了實際，但通過這次設(shè)計使我認識到理論結(jié)合實際的重要性。在做課程設(shè)計時我們也遇到了很多問題，比如在做控制回路的時候我們前一天晚上得到了矩形波，但是在第二天早上的時候就發(fā)現(xiàn)波形出問題了，于是我們不得不檢查調(diào)試。在做主回路的時候，由于最開始我們沒有考慮到由于SG3525芯片本身性質(zhì)的限制，其輸出的占空比不能超過50%，費了不少時間，后來在老師的指導(dǎo)下我們并聯(lián)11腳和14腳才解決了問題。雖然最后我們的閉環(huán)沒有

17、成功，但是我們收獲了實踐的過程，并從中學到了很多書本上沒有的知識，也認識到了團隊合作的重要性，相互的協(xié)作才有我們做出的成績。很感謝學校給我們這次實踐的機會，讓我們有了一個共同學習，增長知識的機會，也感謝老師對我們實驗的精心指導(dǎo)，我會以這次課程設(shè)計作為一個新的開端，繼續(xù)學習。參考文獻：1 PWM控制芯片SG3525功能簡介（圖），http:/www.power-2 王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2010.119-120.3 胡壽松.自動控制原理M.北京：機械工業(yè)出版社，2007.264-265.附錄：1.SG3525芯片的引腳功能1.Inv.input(引腳1)：誤差放大

18、器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。2.Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。3.Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。4.OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。5.CT(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。6.RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。7.Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。

19、該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。8.Soft-Start(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動電容。9.Compensation(引腳9)：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。10.Shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。11.Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。12.Ground(引腳12)：信號地。13.Vc(引腳13)：輸出級偏置電壓接入端。14.Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。15.Vcc（引腳15）