1、武汉理工大学毕业设计（论文） 目录 摘 要 . 1 Abstract . 2 1 绪论 . 3 1.1 电力电子技术的概述 . 3 1.2 开关电源的研究现状和发展趋势 . 3 1.3 Buck 斩波电路的研究意义 . 5 1.4 论文的主要研究内容 . 6 2 Buck 斩波电路的原理 . 7 2.1 Buck 变换器的连续导电模式 . 8 2.2 Buck 变换器电感电流不连续的导电模式 . 10 2.3 电感电流连续的临界条件 .11 2.4 纹波电压 UO 及电容计算 . 12 2.5 参数的计算 . 12 3 Buck 斩波电路的建模 . 14 3.1 开关电路的建模 . 14 3.
2、1.1 理想开关模型 . 14 3.1.2 状态空间平均模型 . 15 3.1.3 小信号模型 . 17 3.2 系统的传递函数 . 18 3.2.1 降压斩波电路的传递函数 . 18 3.2.2 PWM 比较器的比较函数 . 20 3.2.3 调节器的传递函数 . 21 4 控制电路的设计 . 22 4.1 电压模式控制电路的设计 . 22 4.1.1 电压调节器的结构形式 . 22 4.1.2 电压调节器的参数 . 23 4. 2 控制电路结构 . 24 5 Buck 斩波电路的控制仿真研究 . 25 5.1 Matlab 简介 . 25 5.2 Buck 斩波电路主电路的仿真 . 25
3、5.3 Buck 斩波电路的 PID 控制算法的仿真 . 27 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 全文总结及展望 . 30 参考文献 . 31 附录 1：主电路仿真模型 . 32 附录 2：主电路仿真波形图 . 33 附录 3： PID 仿真图 . 34 致 谢 . 35 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 摘 要 随 着电子产品与人们工作和生活的关系日益密切，便携式和待机时间长的电子产品越来越受到 人们的青睐，它们对电源的要求也越来越高。 DC-DC 开关电源芯片是一种正在快速发展的功率集成电路，具有集度高，综合性能好等特点，具有很好的市场前景和研究价值。 论文在研究开关电源技术发展现状和前景
4、的基础上， 设计 一种 Buck型 DC-DC开关电源的设计。首先对主电路的工作原理和系统构成进行了研究和分析， 包括工作过程中各个元器件的工作状态和工作特点。在完成主电路部分后对主电路建立 理想模型、状态空间平均模型和 小信号模型，得出系统的传递函数。采用电压模式 控制 方式 ， PID 控制算法来进行控制 ，通过临界比例度法整定 PID 参数 。最后通过 Matlab 对系统进行仿真，仿真结果达到设计指标。 关键词 ： Buck 型 开关电源 ；小信号模型； 电压 模式 控制 ； PID 控制算法 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 Abstract As the electronic pr
5、oducts and people living and working relationship is cl-osing， Portable and long standby time electronic products get more and morepeoples favour， the requirements of power are expanding. DC - DC switch p-ower supply chip is a rapid development power integrated circuit， comprehensi-ve performance is
6、 well, which with good market prospect and the research val-ue. Based on research of switch power technology development status and pros-pects,the text Presents a Buck type DC - DC switch power design. Firstly I analysisthe working principle of the main circuit structure and system, Including the wo
7、rking process of various components working condition and the work c-haracteristics. In fulfilling the circuit of the establishment of main circuit after ideal model, the state space average model and small signal model, then， get the transfer function of the system. Adopt voltage mode control mode
8、and PIDcontrol algorithm to control,use the critical ratio degree to set PID parameters. Finally through Matlab to simulate the system, and simulation results achieved the design index. Key word: Buck switch power supply； small signal model； voltage mode control；PID control algorithm 武汉理工大学毕业设计（论文）
9、3 1 绪论 1.1 电力电子技术的概述 电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支 1。通常所说的的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制技术。目前所用的电力电子器件均 由半导体制成，故也称电力半导体器件 1。电力电子技术所变换的“电力”， 功率可达到数百照瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至毫瓦级。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是两者的本质不 同 。 通常所用的电力有直流和交流两种。从公用电网得到的电力是交流，从蓄电池和干电池得到的电力是直流。从这些电源得
10、到的电力往往不能直接满足要求 ，需要进行电力变换 。电力变换通常 分为四大类：即交流变直流 （ AC-DC） 、直流变交流（ DC-AC）、直流变直流（ DC-DC）、 交流变交流（ AC-AC） 1。 通常把电 力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制技术，以及由这些电路构成电力电子装置和各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术 5。 变流不只指交直流之间的变换，也包括上述的直流变直流，交流变交流的变换。 如果没有晶闸管、电力晶体管、 IGBT 等电力电子器件，也就没有电力电子技
11、术，而 电力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的 核心。电力电子器件的制造技术的理论基础是半导体物理，而变流技术的理论基础是电路理论。 1.2 开关 电源 的研究 现状和发展趋势 我们常说的电源管理芯片实际上是指具有自动控制环路和保护电路 DC-DC变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在 90年代中后期问世，由于替换了大部分分立器件，使开关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了成本，因而显示出强大的生命力 3。 开关电源的发展已有 30多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域
12、14。 20世纪 60年代出现过晶闸管相位控制式开关 电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广、使之应用受到限制嘲 15。 70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能武汉理工大学毕业设计（论文） 4 电源才重获发展 15。将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。 电源的集成化，使得它被广泛应用十电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中。随着半导体技术和微电子技术的不断发
13、展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻，与之相比，电源要笨重的多 3。在现代电子产品中，电源体积要比微处理器大几十倍，如何减小开关电源的体积，面临着新的挑战，提高频率也是开关电源要面临的问题。理论分析和实践经验表明，电器产品的体积、重量随供电频率的平方根成反比的减少，所以当把频率从 50Hz提高到 20kHz，提高 400倍，用电设备的体积、重量大体上降至高频设计的 5 50 2。但是，频率提高以后，对整个电路中的元器件又将有新的要求，因此高频工作下 的有关电路元器件也有待于进一步的研究。 我国对开关稳压电源的研制工作开始于 60年代初
14、期， 70年代起，我国在黑白电视机、中小型计算机中开始应用 5V,20A 200A、 20KHz、 AC-DC开关电源。80年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究 0.5 5MHz准谐振型软开关电源。 80年代中，我国通信电源 AC-DC及 DC-DC开关电源应用领域中所占比重还比较低。 80年代末，我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压整流电源和晶闸管相控稳压电源为大功率 AC-DC开关电源所取代，并开始在办公室自动化设备中得到应用 。 90年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源，如卫星上用的开关电源、远程火箭控制系统用的 DC-DC开关电源等 10。 随着技术的进步， DC-D
15、C开关电源朝着高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化方向发展： （ 1） 专用化：对通信电源等大功率系统，采用集成的开关控制器和新型的高速功率开关器件，改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，达到最佳的效率 2。对于小型便携式电子设备，则主要是单片集成开关电源的形式，采用新型的控制方式和电路结构来减小器件体积、减小待机功耗，提供低输出电压、高输出电流以适应微处 理器和便携式电子设备等产品电源系统的供电要求。 （ 2） 高频率：随着开关频率的不断提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率 DC-DC转换器的开关频率将上升到 50MHz6。但随着开关频
16、率的提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频电磁干扰 (EMI)等新的问题也将随之产生，因此实现零电压导通 (zvs)、零电流关断 (zCS)的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。 （ 3） 高可靠：开关电源比线性电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电 解电容、光耦合器、开关管及高频变压器等决定电源的武汉理工大学毕业设计（论文） 5 寿命。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是依赖使用方。美国德州仪器(TI)、安森美 (Onsemi)、美信 (MAXIM)等公司通过降低结温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其 DC-DC开关电源最新的系列产品的
17、可靠性大大提高，产品平均无故障工作时间高达 10万小时以上 15。 (4)低噪声：与线性电源相比，开关电源的一个缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如 很难准确控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问难以解决。 (5)抗电磁干扰 2：当开关电源在高频下工作时，噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国己有抗电磁干扰的规范或标准，如美国的 FCC，德国的 VDE等，研究开发抗电磁干扰的开关电源日益显得重要 15。 1.3 Buck 斩波电
18、路的 研究意义 形形色色的移动通讯设备、便携式娱乐设备、车载设备等电子产品的发展日新月异，它们越来越强调多功能、小体积以及绿色环保等特性，这将推动电源管理技术的蓬勃发展 。以 3G智能手机、便携多媒体播放器、 GPS导航设备、 MP3播放器为代表的便携式消费电阿子产品，对长电池使用时间、高功能集成度和小外形因子等方面提出更高要求， DC-DC开关电源，电源管理单元 (PMU)等电源产品不断推陈出新 3。 电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障 60来自电源 12。因此，电源越来越受到人们的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源
19、两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区，开关稳压电源的调整管工作在开关状态。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的种电源。从上世纪 90年代以来开关电源相继进入各种电子和电器设备领域，计算机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源 10。由于其高效节能可带来巨大经济效益，从而得到迅速推广。 分布式电源的发展及与 lT技术的结合，对传统的电路系统造成巨大的影响，带来了对电路系统概念的革新，在同一电路系统中越来越广泛地使用分布式开关电源，使电路技术产生显著进步，形成了新型的专项技术嘲。 DC-DC开关电源技术是
20、分 布式开关电源的关键技术，与传统的线性电源相比， DC-DC开关电源具有高效率、高可靠性、体积小、响应速度快、稳定性高、内在限流保护等优点，使其在电源管理芯片中得到了广泛的运用。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 1.4 论文的 主要研究内容 本文主要研究的内容是 Buck变换器的 PID控制，给出仿真结果。 第二章主要介绍 Buck变换器的三种工作模式：电流连续模式、电流断续模式和临界导电模式。并介绍了三种工作模式下各元件的电流和电压的波形图、计算公式，按设计要求完成参数的计算。 第三章 对 Buck 变换器建立模型，介绍了理想模型、状态空间模型和小信号模 型，并对三种模型进行比较，因为
21、小型号模型的状态方程是线性定常的一阶微分方程组，可以用来建立开关电路的传递函数。建立主电路的传递函数。 第四章对控制电路作出了理论设计，介绍了电压模式控制和 控制电路的各个环节，主要包括驱动电路，调节器电路和保护电路。 第五章对主电路和 PID控制算法进行了 Matlab 仿真，并对仿真结果进行分析，同时介绍 PID 参数的临界比例度法。 第六章对全文进行系统总结。 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 2 Buck 斩波电路的原理 降压式（ Buck）变换器是一种输出电压等于或小于输入电压 的单管非隔离直流变换器 6。图 2-1 给出了它的电路图。 Buck 变换器的主要电路由开关管 T，二极管
22、 D，输出滤波电感 L 和输出滤波电容 C 构成。这种电路，电源是电压源性质、负载为电流源性质。电路完成把直流电压 Us 转换为较低的直流电压 Uo的功能。 图 2-1 Buck 变换器 Buck 变换器的两个工作工况如图 2-2 和图 2-3 所示 6。为了分析稳定特性，简化推到公式的过程，特作如下假定： 开关管、二极管是理想元件，即可以再瞬间导通或截止，没有导通压降（导通时电阻为 0），截止时没有漏电 流。 电感、电阻是理想元件。电感工作在线性区而未饱和寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值很少，可以忽略。 定义开关导通时间 ton 与开关周期 Ts
23、的比值为占空比，用 Dc 表示 1。 sonc TtD (2-1) 图 2-2 电感电流连续时主开关管导通工作状态 武汉理工大学毕业设计（论文） 8 图 2-3 电感电流连续时二极管续流工作状态 根据电流是否 连续， Buck 变换器有三种工作模式 连续导电模式，不连续导电模式和临界状态 1。电感电流连续是指输出滤波电感 L 的电流总大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间流过电感的电流为零。在这两种工作方式之间有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断末期，滤波电感的电流刚好将为零。他们工作波形有较大的差异，图 2-4 是前两种工作 的波形图 6。 2.1 Buck
24、变换器的连续导电模式 当开关管 T 导通时，如图 2-4（ a） 所示，续流二极管因反向偏置而截至，电容开始充电，直流电压源 Us 通过电感 L 向 负载传递能量。此时，电感电流 iL 线性增加，储存的磁场能量也逐渐增加 6。负载 R 流过电流 Io，两端输出电压 Uo上正下负。在一个开关周期 Ts 内开关管 T 导通的时间为 ton。 当 T 关断时，如图 2-4（ b） 所示，由于电感电流 iL 不能突变，故 iL 通过二极管 D 续流，电感电流之间减小，电感上的能量逐步消耗在负载上， iL 降低， L上的储能减小 6。电感电流减小时，电感两端的电压 UL 改变极性，二极管承受正向偏压而导通，构成连续通路，负载 R 端电压 Uo 仍然是上正下负。当 iLio，电容处在放电状态，以维持 Io 和 Uo 不变。在一个周 期 To 内开关管 T 断开的时间为 Ts-Ton。 在稳定分析中假定输出端滤波电容很大，输出电压可以认为是平直的 6。同样，由于稳态时电容的平均电流为零，因为 Buck 变换器中电感平均电流等于平均输出电流 Io。在连续导电模式下，电感电流不会减小到零，前一个周期结束时刻和下一个周期开始开始时刻电流是连续的 4。
