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1、基于multisim控制方式的开关电源仿真研究山东科技大学 电气与自动化工程学院姓名：李强 学号：150831018目录一 绪论2二 实验目的2三 实验要求2四 主电路功率的设计2（1）buck 电路2（2）用Multisim软件参数扫描法计算3(3) 交流小信号模型中电路参数的计算4（4）采用小信号模型分析5五 补偿网络的设计6六 总电路图的设计7（1）总电路图的设计图9（2）总电路的仿真图9七 心得体会11八 参考文献12一 绪论Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，现以Buck变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单
2、电压环、电流-电压双环设计控制环路二 实验目的(1)了解Buck变换器基本结构及工作原理；(2) 掌握电路器件选择和参数的计算；(3) 学会使用Multisim仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真;(4) 学会使用Multisim仿真软件对控制环节的仿真技术;(5)学会分析系统的静态稳压精度和动态响应速度.三 实验要求输入直流电压(VIN)：15V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：1A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。四 主电路功率的设计（1）buck 电路图4-1-1： buck 电路 图4-1-1 =250m（出
3、于实际考虑选择250m）c*Rc的乘积趋于常数5080uF，我使用62.5*F，由式(1)可得RC=250mohm，C=250F（出于实际考虑取250F）开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如下式所示：设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V。经计算得 L=87.66uH。（注：在实际电路中，取L=88H）（2）用Multisim软件参数扫描法计算：当L=70uH时，输出电压纹波4-2-1 当L=80uH时，输出电压纹波如图4-2-2 如图4-2-2当L=87.66uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-1 图4-2-1当L
4、=90uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-3图4-2-3 (3)交流小信号模型中电路参数的计算如下：占空比： 直流增益： ，双重极点频率： 品质因数： ，在具有双重极点的传递函数中，频率特性在极点频率附近变化非常剧烈，其中相频特性变化非常剧烈段的起始频率fa和终止频率fb，由下可以确定： （4）采用小信号模型分析经分析得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为： 假设PWM锯齿波幅值Vm1.5V，RX3，Ry1.3，由此可得采样网络传递函数=0.3，原始回路直流增益3。双重极点频率:=1.076kHz用matlab画出的G0（s）的伯德图：程序：num=0.000225 3;de
5、n=0.000000053 0.000034994 1;mag1,phase1,w1=bode(num,den);margin(mag,phase,w)如图所得，该系统相位裕度 40.3度，穿越频率为1.49e+003Hz,所以该传递函数稳定性和快速性均不好。需要加入补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度。 使其快速性和稳定性增加。五 补偿网络的设计设计步骤步骤1 本设计采用的PD补偿网络进行设计，PD补偿网络的电路图如图5所示PD补偿网络其传递函数为： ， （5） , ,（6）步骤2 确定补偿网络的参数。为了提高穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率fc是开关频率fs的五分之一,即fc
6、=fs/5=20 KHz设相位裕度。PD补偿网络的零、极点频率计算公式为： （7）由式（6）可得： (8)PD补偿网络直流增益为：（9）由式（7）、（8），可得PD补偿网络的传递函数GC(s)为：（10）根据上面计算，可绘出PD补偿网络传递函数GC(s)的波特图如图6所示，整个系统的传递函数为： （11） 其波特图如下图所示由Matlab绘制的波特图可知，,满足设计要求。图1 PD补偿网络开环传递函数波特图图2 系统总回路传递函数波特图 步骤3 补偿网络电路中的参数计算由式（6）的三个计算公式可得：设R1=R2=30K，由上式可得：R0=0.76K，R3=2K，C1=1.37nF（注:在实际电
7、路中，取：R0=0.8K，R3=2K，C1=1.5nF）由于，有20%100%的负载扰动，六 总电路图的设计（1）总电路图的设计图6-1-1图6-1-1（2）总电路的仿真图图6-1-2（3）输出电压纹波由图可见，加入补偿网络后，输出电压稳定在5V左右。总电路图设计采用Multisim软件。Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。七 心得体会本文以B
8、uck变换器为研究对象，学习了PD补偿网络在恒压原单环控制中的应用特点，关注了稳态误差、瞬态响应和高频干扰抑制能力。通过理论的研究和公式推导设计出了PD控制小信号模型和传递函数，并且设计出了具体的电路的参数，以及对设计的电路进行了仿真。通过这次设计主要取得了如下成果：掌握了一定的电力电子建模知识、开关变换器的建模知识；对PD控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识；熟练运用Multisim，Matlab等仿真软件；对开关电源的用途、现状与发展有了新的体会。八 参考文献1 张建生主编.现代仪器电源M .北京：科学出版社2005：1-26.2 王兆安，黄俊主编.电力电子技术M .北京：机械工业出版社，2000：94-96.3 陈丽兰主编.自动控制原理M .北京：电子工业出版社，2006：73-74.4 张卫平主编.开关变换器的建模与控制M .北京：中国电力出版社，2005：134-141.5 徐德鸿译.电力电子系统建模及控制M .北京：机械工业出版社，2005：174-180.6 张晋格主编.控制系统CADM .北京：机械工业出版社，2004：128-134.
