基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究0目錄0 緒論 --------------------------------------------------------------------- 2 1 設(shè)計要求 ----------------------------------------------------------------- 2 2 主電路參數(shù)計算 ----------------------------------------------------------- 2 2.1 電容參數(shù)計算 --------------------------------------------------------- 3 2.2 電感參數(shù)計算 --------------------------------------------------------- 33 補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 ------------------------------------------------------------- 43.1 原始系統(tǒng)的設(shè)計 -------------------------------------------------------- 43.2 補償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計算 -------------------------------------------------- 54 負載突加突卸 ------------------------------------------------------------- 94.1 滿載運行 -------------------------------------------------------------- 94.2 突加突卸 80%負載 ------------------------------------------------------ 114.3 電源擾動 20% --------------------------------------------------------- 125 小結(jié) -------------------------------------------------------------------- 13 參考文獻 ------------------------------------------------------------------ 14基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究10 緒論開關(guān)電源是近年來應(yīng)用非常廣泛的一種新式電源，它具有體積小、重量輕、耗能低、使用方便等優(yōu)點，在郵電通信、航空航天、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械、家用電器等領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著。Buck 變換器是最常用的變換器，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) 1A 負載電流的要求，設(shè)計主功率電路。為了使其具抗干擾能力，輸出電流達到所需的等級，減小其電壓紋波，現(xiàn)設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)使其閉環(huán)，提高系統(tǒng)的能力。1 設(shè)計要求技術(shù)指標：輸入直流電壓( VIN)：10V；輸出電壓( VO)：5V；輸出電流( IN)：1A；輸出電壓紋波( Vrr)：50mV；基準電壓( Vref)：1.5V；開關(guān)頻率( fs)：100kHz.設(shè)計主電路以及校正網(wǎng)絡(luò)，使?jié)M足以上要求。2 主電路參數(shù)計算主電路如圖 12.1 電容參數(shù)計算圖 1 Buck 電路基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究2輸出電壓紋波只與電容 C 和電容等效電阻 有關(guān)CRNrLrIVi2.0??通常 并未直接給出，但 趨于常數(shù)，約為 ，此處取CRRC F????85FCR????75可得： ??m250F?32.2 電感參數(shù)計算由基爾霍夫電壓定律可知開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷滿足下列方程 ????????OFLDLONINTiV假設(shè)：二極管 D 的通態(tài)壓降 ，電感 L 中的電阻壓降 ，開關(guān)管 S 導(dǎo)通壓降D5.0VL1.0?，其中 L 中串聯(lián)電阻 。VON5.0???1.NLIR可得： sTON?6.F4.?將 代入方程組可解的 。sON6.5HL?2.13?占空比: 56.0??OFNTD負載電阻： ??1AVIRNL由 matlab 仿真，得圖 2，可知當(dāng)取 時，電感電流在 0.87A-1.09A 之間脈動，符FL?130?合 的要求。NLIi2.0??基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究33 補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計3.1 原始系統(tǒng)的設(shè)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) GO(s)為：??LCsRVsHsGINmO21)()(???假設(shè) PWM 鋸齒波幅值為 Vm=1.5V，采樣電阻 Rx=3.5kΩ，Ry=1.5kΩ。采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：圖 2 電感電流.0)(??xyRsH基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究483.015.2103.7584?????ss 266610)5.301(3.01)( sssGO ???????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 的程序如下：num=[1.5e-4 2];den=[3.75e-8 2.5e-5 0.83];g=tf(num,den);margin(g);圖 3 波特圖如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度 40.4 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。需要加入補償網(wǎng)絡(luò)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(luò)相關(guān)參數(shù)計算采用如圖 4 所示的 PI 補償網(wǎng)絡(luò)。 PI 環(huán)節(jié)是將偏差的比例(P )、積分(I)環(huán)節(jié)經(jīng)過線性組基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究5合構(gòu)成控制量。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(dāng)輸入和負載變化迅速時，此環(huán)節(jié)基本沒有作用，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)。圖 4 PI 補償網(wǎng)絡(luò)采樣電壓為 1.5V 則取采樣電阻 R6、R7 分別為 3.5K 和 1.5K。其傳遞函數(shù)為： TSKsGc1)(??則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為： s102.51075.3)6(k)(8ss )( )( ????設(shè)穿越頻率為 ，則系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性為：c?????? 90-1arctn-901artn6.25Tart0)( 2cnc-cc )( ????其中 ，振蕩阻尼系數(shù) 。8n103.75????n8-52103.7???為了增加系統(tǒng)的快速性，需要提高穿越頻率 ，一般穿越頻率以小于 較為恰當(dāng)。本次cf 51sf基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究6取 =15kHZ，則穿越頻率 。cf rad/s109.421503.42fc ??????將數(shù)據(jù)代 得，)(c??????90-18.4T10artn9.42c相位裕度 ??.6cta.)(180???一般相位裕度為 ，則??5?????58.06-T1arctn9.4250?.3.6.8497.102.9.1??55.7. ??T取 ,將 K 取不同的值在 MATLAB 上仿真得到 k=20 時較為理想。-5102.T??則 PI 傳遞函數(shù)為： s102.)(5c????)(sG繪制 PI 傳遞函數(shù)伯德圖 5，程序如下：num=[40e-5 20];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g)基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究7圖 5 PI 傳遞函數(shù)伯德則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為： SSGS 521031328)( 6.0.74.6???????通過 matlab 繪制系統(tǒng)伯德圖，程序如下：num=[1.5e-4 2];den=[3.75e-8 2.5e-5 0.83];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=[40e-5 20];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=[1.5e-4 2];den=[3.75e-8 2.5e-5 0.83];基于 PI 控制方式的 1A 開關(guān)電源 MATLAB 仿真研究8f=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)總系統(tǒng)伯德圖如下圖 6：圖 6 總系統(tǒng)伯德由圖可以看出矯正后的系統(tǒng)相位裕度 ，穿越頻率為 14.7kHz，系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得?7.53到改善。4 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(jié)果如圖 7 所示。

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總結(jié)

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