基于PID控制方式的4A开关电源-multisim仿真.pdf

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图1Buck主电路 1.2主电路参数计算 ①滤波电容参数设计如下: 输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关,即 VIT VIr 50 =62.5mg2 △i0.2I0.2x4 由于电解电容生产厂家很少给出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5080*9F,故 Rc62.54·9F =1000/F 62.5mg ②滤波电感参数设计如下: 开关闭合和导通的基尔霍夫电压方程如下: Vin 图2等效电路 WWWvveyeL.com (1) +V1+Vn=L· D (2) OFF t+Tor= m (3) 100 假设二极管的通态压降V=0.5V,电感中的电阻压降为V1=0.1V,开关管的导通压降 V=0.5V,根据等式(1)、(2)、(3)可得:L=43.8H,Tm=3.734s,故取L=47ll。 ③下图是用 Multisim软件对电感电流进行参数扫描,设计要求电感电流波动在0.2Ⅰ即0.8A以 内波动。 Q1 RF250 47UH 0的 0. 01ohm V1 C1 15 aLn5-9V10000x 1000uFR4 D1 >1. 25ohm 20oh R1 62 mohm xsC1 T B 图3电感电流仿真电路图 Device Parameter Sweep www.aovn.co 411主m n 1 115m 图4电感电流仿真波形图 如图,当L=47uH时,电感电流在之间脉动,符合△i≤0,2l》=0.8A的设计要求,并且理论分 析与仿真结果一致。 2.PID补偿网络设计 IT R 功率开关管 脉冲宽度 驱动器 调节 控制器 PWM Gc(s Ho ref 图5Buck补偿网络 2.1主电路直流增益计算 ①采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数为: Gs)=Gu0· 豆丁 (4) 现假设PWM锯齿波幅值Vm为1.5V 采样网络传递函数H(s)= 负载电阻值RL sdocin.com 1.259■ 品质因数Q0=R125× 1000 =5.77 47 直流增益Gn0=H(s)·Vin,1=0.3×15×=3 Vm 双重极点频率:fn= 1 :p02√LC2×3.14×√47×10°×103 =734.50z 即an0=2dfno=2×3.14×734.50=461266rad 故:G(s)=3 十 5.77×4612.664612.66 1+0.0000376s+0.000000047s 利用 Multisim软件根据原回路增益函数G(s)画出其波特图,如下: Bode D T i System, 一++÷ 一÷} Frequency (Hz)1e+004 :i: Magnitude(dB):-358 system sys …+-1- equency (Hz1e004 Phase (deg) 179 10 Frentiencv iH- 图6控制对象Bode图 ②Rx、Ry计 R 豆丁 R+R 0 (5) (1~2)mA (6) R+R om 已知V=5V,V=15V,由式(5)、(6)可得:Rx=3kg2,Ry=1.3k2 2.2补偿网络的设计:控制方式为P|D R3 R1 图7补偿网络电路图 其传递函数为:G(s)=K 1+ 其中:K R R1+R3 Z 1-,o=R2C2 R,+R R, R,RC 由于穿越频率f。小于,所以设为开关频率的,倒置零点的频率f为穿越频率的,即: 10 20 f。=,f,=,×100kHz=10kHz =-f.=-×10kHz=0.5kHz 设相位裕度为52°,则 补偿网络的零点频率为:f2=f2 sIn p sn52° 10 =3. 44kHZ VI+sin 52 补偿网络的极点频率为:f=f t sin 1+sn52° =10 =29.04kHL smφ 1-sin 52 丁 PD网络直流增益为:K=()2,1 10 1344 =21.27 073453V29.04 O.=2nf.=2×3.14×3.44=21.6 Krad ocIn. com O.=2nf=2×3.14×29.04=18246krad 01=2f1=2×3.14×0.5=3.14krad 令C1=1AF,可得:R1=46.27g,R3=6.292,R2=1116462,C2=0.29F (1+)(1+) G(s)=K● (1+0.0000463s)×(s+31 21.27×- 故 1+ S s+000030490 (21.27+0.000985(s+3140) s+0.00000548s 其Bode图如下 Bode Digram 8,点 :: 111 中- 1117. Magnitude(dB)359 111111 11 :: 30-÷::: CF3,二矿 上H I1111tt11 11111 11 limit ::": ::::::: system: sys 4.J-LLJA=-4-L⊥L ::i Frequency (Hz): 1.018+004/:: =1 114 :i::::: Phase(deg): 49 在 ::: 4(a=b4===4 1+t HHLs =上E 10 Frequency (Hz) 图8补偿网络Bode图 2.3变换器传递函数及波特图 豆丁 补偿后的变换器传递函数G(s)Go(s)…Gc(s),所以其波特图是控制器与补偿网络的波特图的叠 加。即G(s)=G0(s)G(s)= 3(2127+0.000985s(8+3140 (1+00000376+0000000032)(+0.000005482) 个传递函数的Bode图如下: 注:图中星形线表示控制对象特性,虚线表示补偿网络特性,实线表示变换器特性 Bode Diagram Hiu System gs :,Hii:- Frequency (Hz) 1.01e+004 Magnitude(dBy00548出 :: 50}一一图一一+料料平计… 1:::: 100 上1 CiRa : 0++斗种 -4+器计…等--+2计+mga 90 1-L--L -1-:1: quency件z101004 1111(1 ::Pase(9130 11141 11 1 180 地料** 10 Frequency (H 图9Buck变换器Bode图 从图9中可以看出Buck电路补偿后相位裕度为50°,符合相位裕度应在50°~55°的设计要求。 3.Buck变换器的负载突加突卸仿真 IRIs 1. Koh 1000uF R1 15v 6 25ohm 50oHm 46 27ohm Rc Ry 133kohm 4LM759CP 15v U3A 13 LL339N vCc 图10负载突加突卸电路 Circul Transient Analsis 图11电压波形图 Scull⊥ Transient Analysis Transient Analysis 6.1 7.4162m 4.9115 7.9170m 4.903 500,8494 =7,7209m 1/dx 1.9966k 1/dy 129.5180 53 mr x 0.o000 3. 000om n y 0.0000 16.1963 38 34 注:上图为负载R=1.25时的电压波形,下图为负载20%扰动时的电压电流波形

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2019-09-12
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