基于PD控制方式的6A开关电源MATLAB仿真研究.doc

基于PD控制方式的6A开关电源MATLAB仿真研究 学院：电气与光电工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 1 引言 开关电源技术属于电力电子技术的范畴，是集电力变换、现代电子、自动控制等多学科于一体的边缘交叉技术，现今已广泛应用到工业、能源、交通、信息、航空、国防、教育、文化等领域。开关电源技术的发展实际上是围绕着提高效率、提高性能、小型轻量化、安全可靠、消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声的轨迹进行不懈研究，开关电源是整个电源技术中至关重要的部分，其中Buck变换器补偿网络设计最常用的电力变换器，工程上常用的正激、半桥、全桥及推挽等均属于Buck族。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，开关电源比普通线性电源体积小,轻便化，更便于携带。常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。 MATLAB软件是一个适用于科学计算和工程应用的数学软件系统，历尽20多年的发展，现已是IEEE组织认可的最优化的科技应用软件。该软件有以下特点：数值运算功能强大；编程环境简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。 本文将针对基于PD控制方式的6A开关电源的MATLAB的仿真研究做出了应用举例。 2.基于PD控制方式的Buck电路的综合设计 2.1技术指标 输入直流电压(VIN)：10V； 输出电压(VO)：5V； 输出电流(IN)：6A； 输出电压纹波(Vrr)：50mV； 基准电压(Vref)：1.5V； 开关频率(fs)：100kHz. [滞环控制为PFM方式，不受此限制] 2.2 Buck主电路设计 主电路如图1： 图1 Buck主电路 2.3 Buck主电路各参数设计 （1）滤波电容参数计算 出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关： 通常并未直接给出，但趋于常数，约为，此处取 可知： 可得： （2）滤波电感参数计算 根据基尔霍夫电压定律，可知开关管导通与关断状态下输入电压和输出电压满足下列方程: 假设Buck变换器性能要求，假设二极管D的通态压降,电感L中的电阻压降为,开关管S中的导通压降,且有串联电阻 可知： 可得： 2.4 采用参数扫描法，对所设计的主电路进行MATLAB仿真 当，电感电流和输出电压的波形分别如下: 图2 电感波形 图3 输出电压波形 3 补偿网络设计 3.1 原始回路增益函数 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： 假设PWM锯齿波幅值,采样电阻，，由此可得采样网络传递函数为： 可得： 解得： 极点频率： 零点转折频率： 使用MATLAB画出原始回路增益函数伯德图 程序如下： num=conv(2,[7.5e-5 1]); den=[3.78e-8 2.53e-5 1]; g=tf(num,den); margin(g); 图4 原始回路增益函数伯德图 相位裕度：41.3° 穿越频率：1.52e3Hz 根据要求相位裕度应达到50°-55° 穿越频率提升到（即10kHz-20kHz） 均不满足，因此需提高其相位裕度，穿越频率。 3.2 PD补偿网络设计 PD补偿网络的传递函数通常以为超前校正网络的传递函数近似代替，超前校正网络的传递函数为： 假设：期望的相位裕度，穿越频率 为了提高系统穿越频率，则需要在其幅值下降前抬高它的下降速度为-20db/s，才能提高其穿越频率。 因此令： 补偿网络零点频率： 补偿网络极点频率： 则： 公式求得补偿网络增益： 可得： 使用MATLAB绘制补偿网络传递函数伯德图 程序如下： num=[1.48e-3 44.12]; den=[3.34e-6 1]; g=tf(num,den); margin(g); 图5 PD补偿网络传递函数伯德图 在不忽略电容等效电阻的情况下，系统低频段多出一个零点，抑制了相位裕度的范围，只使用单一的PD调节难以做到既满足相位裕度，又满足幅值穿越频率。因此这里暂时忽略电容等效电阻带来的影响。整个系统的传递函数如下： 使用MATLAB绘制整个系统经补偿后的传递函数伯德图 程序如下： num=[2.96e-3 88.24]; den=[1.26e-13 3.79e-8 2.8e-5 1]; g=tf(num,den); margin(g); 图6 整个系统经补偿后的伯德图 相位裕度：55.1° 穿越频率：1.29e4Hz 因此可知，经过校正，系统满足了要求指标 PD补偿后总的系统伯德图如下： 图7 PD补偿后总的系统伯德图 4 负载满载运行及突加