PD控制方式的10A開關(guān)電源PISM

1、基于PD控制方式的10A開關(guān)電源PSIM仿真研究基于PD控制方式的10A開關(guān)電源PISM仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)：1、緒論開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成，大致由主電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源四大部份組成。電源是組成各種電子設(shè)備的最基本部分，每個(gè)電子設(shè)備均會(huì)要求有一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源來供給設(shè)備的各種信號(hào)處理電路的直流偏置，以期達(dá)到各信號(hào)處理電路能穩(wěn)定可靠的工作。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)的控制和處理顯示出越來越多的優(yōu)

2、點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)處理和控制，避免模擬信號(hào)傳遞畸變失真，減少雜散信號(hào)的干擾，軟件調(diào)試方便等。例如，已知主電路的時(shí)間常數(shù)較大、響應(yīng)速度相對(duì)緩慢，如果控制的響應(yīng)速度也緩慢，使得整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外界變量的響應(yīng)變得很遲緩；相反如果加快控制器的響應(yīng)速度，則又會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。所以，開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)要求，這就需要一定的技巧，設(shè)計(jì)出合理的控制器，用控制器來改造控制對(duì)象的特性。常用的控制器有比例-積分（PI）、比例-微分（PD）、比例-積分-微分（PID）等三種類型。本次實(shí)驗(yàn)是以PD控制下的開關(guān)電源PSIM仿真。2.Buck變換器主電路設(shè)計(jì)圖2.1 Buck主電路

3、圖2.1技術(shù)指標(biāo)：輸入直流電壓()：10V；輸出電壓()：5V；輸出電流()：10A；輸出電壓紋波()：50mV；基準(zhǔn)電壓()：1.5V；開關(guān)頻率()：100kHz2.2主電路各參數(shù)計(jì)算 （1）濾波電容參數(shù)計(jì)算 輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)： D （1）=但C與R的乘積趨于常數(shù)，約為5080。本例中取為75，由式（1）可得： C=3000。（2）濾波電感的計(jì)算根據(jù)基爾霍夫電壓方程可知，開關(guān)管S閉合與導(dǎo)通狀態(tài)輸入電壓和輸出電壓滿足如下關(guān)系： (2)假設(shè)穩(wěn)壓管D的通態(tài)壓降=0.5V，電感L中的電阻壓降=0.1V，開關(guān)管S導(dǎo)通壓降=0.5V， (3)可得： （取13) 由Psim仿真，得

4、圖2.2 和2.3圖2.2 電感電流脈動(dòng)當(dāng)電感L=13uH，電感中的電流在7.3-9.35A之間，符合的設(shè)計(jì)要求，并且理論分析與仿真結(jié)果一樣。圖2.3 輸出電壓脈動(dòng)當(dāng)電感L=13uH，電感中的電流在5v左右，符合設(shè)計(jì)要求，并且理論分析與仿真結(jié)果一樣。2.3采用參數(shù)掃描法，對(duì)所設(shè)計(jì)的主功率電路進(jìn)行仿真當(dāng)L=25uH時(shí)，電感電流紋波2.4和輸出電壓紋波2.5如下： 圖2.4 電感電流紋波圖2.5 輸出電壓紋波（2)當(dāng)L=5uH時(shí)，電感電流紋波2.6和輸出電壓紋波2.7如下：圖2.6 電感電流紋波圖2.7 輸出電壓紋波采用PSIM的參數(shù)掃描功能，由圖可得，當(dāng)L=5uH或25uH時(shí)，電感中電流紋波和輸

5、出電壓紋波較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長；當(dāng)L=13uH時(shí)，電感電流紋波最合適，波動(dòng)較小，所以選擇L=13uH，理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果是一致的。3.有關(guān)計(jì)算3.1原始回路有關(guān)計(jì)算1.采用小信號(hào)模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)為： （4）假設(shè)PFM鋸齒波幅值=1.5V，=3，=1.325，由此可得采用網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù) ，原始回路直流增益。計(jì)算如下： 極點(diǎn)頻率根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖3.1.1所示，MATLAB的程序如下： num=75000e-9 2; den=63960*1e-12 24.64*1e-6 1; g0=tf(num,den); bode(g0); margin(

6、g0);圖3.1.1 仿真圖3.2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)（1） PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)如圖3.2.1： 圖3.2.1 PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為： ， ， ， （2）確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為了提高穿越頻率，加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率在之間。 相位裕度在之間，設(shè)相位裕度，PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零、極點(diǎn)頻率計(jì)算公式為：所以 ， PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)直流增益為：則根據(jù)PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖3.2.2所示，MATLAB的程序如下： num=281.316*1e-5 118.2; den=2.66*1e-6 1; g=tf(num,den); margin(g)圖3.2.2 PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Bode圖系

7、統(tǒng)傳遞函數(shù)為 （電容內(nèi)阻忽略）根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖3.2.3所示，MATLAB的程序如下：num=75000e-9 2;den=63960*1e-12 24.64*1e-6 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=281.316*1e-5 118.2;den=2.66*1e-6 1;g=tf(num,den);margin(g)hold onnum=75000e-9 2;den=63960*1e-12 24.64*1e-6 1;f=tf(num,den);num1=281.316*1e-5 118.2;den1=2.66

8、*1e-6 1;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)圖3.2.3 PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Bode圖相位裕度在之間由圖知：，滿足要求3.3補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路中參數(shù)的計(jì)算 設(shè)，可得，（取，） 負(fù)載突加滿載：如圖3.3.1（原理圖），圖3.3.2（仿真圖），圖3.3.3（仿真圖）圖3.3.1 原理圖圖3.3.2 仿真圖圖3.3.3 仿真圖負(fù)載突加卸載80%負(fù)載: 如圖3.3.4（系統(tǒng)圖），圖3.3.5（仿真圖），圖3.3.6（仿真圖） 圖3.3.4系統(tǒng)圖圖3.3.5 仿真圖圖3.3.6 仿真圖4. 電壓擾動(dòng)

9、電源加20%的擾動(dòng)即8V和12V，其原理圖和波形圖如下圖4.1 原理圖圖4.2 波形圖 擾動(dòng)加上后仿真結(jié)果如圖4.3和圖4.4：圖4.3 仿真圖圖4.4 仿真圖由仿真結(jié)果可得，系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力較好，符合設(shè)計(jì)要求。效果較好。5.個(gè)人小結(jié)通過本次開關(guān)電源設(shè)計(jì)，我們更加深刻的理解了buck電路，在自己實(shí)踐的同時(shí)也印證了課本里學(xué)習(xí)的重點(diǎn)知識(shí)，也讓我們知道了學(xué)習(xí)的重要性，設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分考驗(yàn)知識(shí)水平和個(gè)人運(yùn)用能力的綜合訓(xùn)練。在設(shè)計(jì)是我們遇到了很多的平時(shí)不了解的方面，也在運(yùn)用軟件方面有了更緊一步的深入，軟件的熟練程度也有了提高，設(shè)計(jì)的同時(shí)并沒有單獨(dú)的用到電源的知識(shí)，也用到了相關(guān)科目的知識(shí)，對(duì)我們綜合的能力也

10、有了很高的要求，當(dāng)然在設(shè)計(jì)的同時(shí)也得到了同學(xué)們的幫助和幫忙，在探討下得以完成了這門課。在設(shè)計(jì)電路這個(gè)考驗(yàn)運(yùn)用和分析的過程中，更充分的了解到了溫故而知新的意義所在。對(duì)于仿真軟件的應(yīng)用，從安裝到熟悉基本操作的過程是自學(xué)和互相學(xué)習(xí)的過程，你不會(huì)的操作需要尋求別人的幫助，這是鍛煉我們合作能力和學(xué)習(xí)能力的過程。仿真軟件能更直觀的讓我們了解相關(guān)電路，在我們以后的學(xué)習(xí)和工作中也會(huì)起到重要作用，這次實(shí)驗(yàn)是一次良好的預(yù)習(xí)機(jī)會(huì)。 參考文獻(xiàn)1萬山明,吳芳.開關(guān)電源(Buck電路)的小信號(hào)模型及環(huán)路設(shè)計(jì)J. 電源技術(shù)應(yīng)用,2004,7(3):142-145.2楊旭等.開關(guān)電源技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.03.3占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)M.北京：電