毕业设计（论文）一款基于单片机的通信电源设计.doc

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1、一款基于单片机的通信电源设计摘要 通信电源通常称为通信设备的“中枢”，在通信站中具有无法比拟的重要地位。随着通信事业的飞速发展、通信设备的不断更新，现代通信技术对通信电源的要求也是越来越高。高效率、高频化、模块化、数字化将是未来通信电源的发展方向。本文针对传统模拟控制通信开关电源的瓶颈，提出采用基于单片机全数字控制的高频化和高效率的新型通信开关电源的研究，以期在实际应用中得到性能更稳定，体积更小，效率更高的通信直流电源。 本次设计的主要目的是实现一款基于单片机的通信开关电源。在这次设计文档中，以Buck变换器为研究对象，设计了一个可控的开关电源。结合设计要求计算出此变换器系统中元器件的数值，设

2、计硬件电路。在研究分析了Buck型DC/DC变换器基础上，使用PID控制策略，通过对Buck变换器模型仿真分析，得出算法具有很好的动态响应，非常适合于对DC/DC变换器动态性能要求比较高的场合。为了实现这种控制策略，本文以AVR的ATMega16为核心控制器件，设计电路。 关键词：通信电源 Buck变换器 AVR 仿真 目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 通信设备对通信开关电源的要求11.3 通信电源的研究现状、水平和发展趋势21.3.1 国内外研究现状和水平21.3.2 通信电源发展趋势41.4 本课题主要研究内容4第二章 基础理论62.1 通信开关电源工作原理62.1.1 开关电源构

3、成62.1.2 开关电源分类72.2 PWM开关电源基本原理72.3 Buck变换器技术82.3.1 Buck变换器基本工作原理82.3.2 Buck变换器工作模态分析92.3.3 Buck变换器外特性10第三章 通信电源的主电路设计123.1 通信开关电源硬件设计指标和方案123.2 输入整流器/滤波器部分的设计133.2.1 EMI滤波器133.2.2 单相桥式整流电路143.3 Buck开关主电路器件的选择153.3.1 占空比D153.3.2 滤波电感153.3.3 滤波电容173.3.4 开关管Q的选取183.3.5 续流二极管D的选取183.4 主电路Buck变换器开环仿真193.

4、4.1 Buck变换器仿真参数及指标193.4.2 Buck变换器开环仿真结果及分析193.5辅助电源选择20第四章 BUCK变换器模型与MATLAB仿真分析224.1 Buck变换器小信号模型建立及分析224.2 控制系统的参数设计254.2.1 控制系统的传递函数254.2.2 利用MATLAB对系统进行仿真254.3 PID算法优化控制264.3.1 加比例P控制器274.3.2 加入PI比例积分控制器274.3.3 加入PID比例积分控制器284.3.4 加入PID控制器研究与分析29第五章 通信开关电源的控制系统设计305.1 ATMega16单片机软件简介305.1.1 ATMeg

5、a16单片机的结构和主要性能305.1.2 ATMega16的引脚335.1.3 ATMega16的基本系统电路335.2 ATMega16的AD信号采集335.3 数字滤波365.4 PWM控制设计375.5 PID控制算法395.6 驱动电路395.7 显示和键盘模块415.7.1 显示元件LCD1602415.7.2 液晶显示电路415.7.3 键盘控制电路41第六章 总结与展望43致谢44参考文献：45附 录A1附 录B3第一章 绪论1.1 引言通信电源是通信行业的动力，在电信网络中发挥着不可替代的作用，具有无可比拟的重要基础地位。通信电源又是通信设备系统的心脏，即使是瞬间的中断也是不

6、允许的，因为通信电源系统发生直流供电中断故障是灾难性的，往往会造成整个通信局（站）和通信网络的全部中断和瘫痪。通信电源是电信网络中不可缺少的重要组成部分，是一个完整、规模日趋庞大和复杂的交换、传输、数据、信息、业务、智能等通信网的基石和后台保障，因此通信电源直接关系到整个网络的稳定、可靠和畅通，而开关电源因效率高、体积小、重量轻等优点被大量运用在通信设备供电中1。 目前在小功率开关电源的设计中，普遍采用专用集成芯片控制脉宽调制技术。使用专用PWM控制芯片具有电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，但它的智能化程度低而且人机交互性能差。针对这一现状，本文采用以AVR单片机为控制核心设

7、计出的小功率数控稳压通信开关电源，可以克服以上缺点，从而可以在通信电源中广泛应用。1.2 通信设备对通信开关电源的要求通信设备对电源系统的一般要求是可靠、稳定、小型、高效率。（1）可靠 为了确保通信线路的畅通，除了必须提高通信设备的可靠性外，还必须提高电源系统的可靠性。通常一个电源系统要给许多通信设备供电，因此一旦电源系统发生故障，对通信的影响是很大的。（2）稳定 各种通信设备都要求电源电压稳定，不能超过允许变化范围。电源电压过高，会损坏通信设备中的电子元件；电源电压过低，通信设备不能正常工作。此外，直流电源电压中的脉动噪声也必须低于允许值，否则也会严重影响通信质量。（3）小型 随着集成电路的

8、迅速发展和应用，通信设备正在向小型化、集成化的方向发展。为了适应通信设备的发展，电源装置也必须实现小型化、集成化。近年来，工作频率高达几百千赫兹且体积非常小的谐振型开关电源，在通信设备中也得到大量应用。（4）高效率 随着通信设备容量的日益增加，电源系统的负荷不断增大。为了节约电能，必须设法提高电源装置的效率。谐振型开关电源效率可达到90以上，因此采用谐振型开关电源可以大大节约能源。1.3 通信电源的研究现状、水平和发展趋势1.3.1 国内外研究现状和水平通信电源是整个电信网的重要组成部分，电源设备质量的优劣，决定着整个电信网能否安全稳定运行2。通信设备发生故障时，可能会影响部分用户或使接通率下

9、降。而电源发生故障时，将会造成通信全部中断，所以人们一直将电源视为整个通信系统的心脏，受到足够的重视。通信电源分为一次电源和二次电源两大类，一次电源将交流电转换成稳定的直流电接入通信设备，二次电源一般位于通信设备内部，将一次电源的直流电转换成多种电压值的稳定直流电以供通信设备内部各部分使用。从开关电源的电路拓扑型式到相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。在电路拓扑型式上开发出了单端贮能式反激电路、双反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路，以适应不同应用场合、不同功率档次的需要；在元器件方面，功率晶体管和整流二极管的性能也有了较大的提高3。1976年美国硅通用公司

10、第一个做出了SG1524的脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）控制芯片，极大地提高了开关电源的可靠性，并进一步减小了体积。尽管如此，由于功率器件的电压、电流额定值的限制，直到上世纪70年代末开关电源主要用于通信设备的二次电源，而通信设备的一次电源大多数仍采用可控硅整流器（相控电源）。在随后的几年中，大功率晶体管（GTR）和功率场效应管（MOSFET）相继被研制出来，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加。在电路拓扑、功率器件和控制芯片发展的基础上，80年代初，英国研制出48V成套直流电源，作为通信设备的一次电源使用，一个机架包括多个整流模块

11、，交、直流配电模块等，这是当时利用高频直流变换技术为主开发的新成果。在1982年国际通信能源会议上，关于这一成果发表的论文受到了普遍重视。这一新技术，在研究开发和应用方面得到了迅速的发展。到80年代中后期，绝缘栅双极晶体管（IGBT）已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取PWM集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管4；半桥或桥式变换电路；开关频率约为几十千赫兹，效率约90%左右的高频开关电源。随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高 (400-500V)的功率场效应管（VMOS 管）和高电压、大电流的绝缘栅晶体管（IGBT），具有软恢复特

12、性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等。主要元器件技术性能的提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好基础5。随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管作用于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制PWM开关电源，效率可达6570，而线性电源的效率只

13、有3040。在发生世界性能源危机的年代，这引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHz革命。随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。建国初期，我国邮电部门的科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为通信电源。在引进原民主德国FGD系列和

14、前苏联BCC51系列自动化硒整流器基础上，借鉴国外先进技术，与工厂共同研制成功国产XZL系列自动化硒整流器，并在武汉通信电源厂批量生产，开始用硒整流器装备通信局（站），替换原有的电动发电机组，这标志着我国国产通信电源设备跃到一个新的水平。从整体性能看，我国通信电源设备与国外同类产品相比存在一定的差距。主要差距在工作的可靠性、稳定性和技术性能等方面。因此，组织力量研制开发具有自主知识产权、技术含量高的新一代通信电源，对振兴民族工业，提高产品的质量和市场竞争力，提高开发队伍的研究水平都具有重要意义，同时，也会带来显著经济和社会效益。1.3.2 通信电源发展趋势（1）开关器件的发展趋势电源技术的精髓

15、是电能变换，即利用电能变化技术将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。其中，开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫兹级，开关电源的发展为高频变化提供了硬件基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。（2）通信直流电源产品的技术发展市场需求发展在需求与技术的共同推动下，通信直流电源产品体现了如下的发展态势：体系架构相当长的一段时间内维持稳定。通信直流电源在相当长的时间内还是维持现有的交流配电、整流器模块(并联)、直流配电、监控单元、蓄电池等为主要组成部分的架构；功率变换模式也将维持现有的高频开关模式，暂时不会出现类似从线性电源到

16、开关电源的阶跃性的变化。功率密度不断提高。通信一次电源的核心部件整流器的功率密度不断提高，推动了通信直流电源整机的功率密度不断提高，但配电器件、蓄电池等密度基本维持稳定，一定程度制约了整机系统的功率密度的提高比率。更高的可靠性。高可靠性是通信电源的最基本要求。随着器件技术、通信电源技术的成熟，以及各通信直流电源设备厂家在可靠性研究上大力投入，通信直流电源产品可靠性呈不断提高的趋势。（3）通信用蓄电池技术研究的新进展通信用蓄电池作为通信系统后备的能源供应手段，其研制、生产和应用技术一直备受世界各国通信行业的重视。随着科技的发展和技术的不断进步，国外正在研制和试验新一代的通信用蓄电池，有的已经进入

17、商用化阶段。这些新的蓄电池，由于其材料、结构和技术上的先进性，在性能上具有传统的VRLA电池无可比拟的优越性。 1.4 本课题主要研究内容目前在小功率开关电源的设计中，普遍采用专用集成芯片控制脉宽调制技术。使用专用PWM控制芯片具有电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，但它的智能化程度低人机交互性能差6。针对这一现状，本文采用以AVR单片机为控制核心设计出的小功率数控通信开关电源，可以克服以上缺点。在这次设计文档中，以Buck变换器为研究对象，设计了一个可控的通信开关电源。结合设计要求计算出此变换器系统中每个元器件的数值，设计硬件电路。在研究分析了Buck型DC/DC变换器的基础

18、上，使用PID控制策略。通过对Buck变换器仿真验证这种控制策略，仿真结果表明，该算法具有很好的动态响应，非常适合于对DC/DC变换器动态性能要求比较高的场合。为了实现这种控制策略，本文以AVR的ATMega16为核心控制器件，以Buck变换器设计系统电路7。系统采用AVR单片机作为开关电源的控制核心，其工作原理为：利用AVR单片机片上集成A/D，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，输出脉冲调制信号，直接控制功率开关脉宽的大小。电路主要部分包括整流滤波模块、开关电源控制模块、LCD液晶显示模块等。根据实际要求，合理选用MOSFET等器件。第二章 基础理论2.1 通信开关电源工

19、作原理2.1.1 开关电源构成通信上开关电源的基本电路由“交流-直流变换电路”、“开关型功率变换”、“控制电路”和“整流滤波电路”等组成如图2.1所示，.输人的电网电压通过“交流-直流变换电路”中的整流器和滤波器变换成直流电，该直流电源作为“开关型功率变换器”的输入电流，经过“开关型功率变换器”将直流电转变为高频脉冲方波电压输出给“整流滤波电路”，变成平滑直流供给负载，控制电路则起着控制“开关型功率变换器”工作的作用。输出Uo交流Ui输入滤波器输出整流滤波功率变换器AC-DC转换电路控制电路 图2.1 开关电源原理图图2.1的每一部分的作用、原理分别简述如下：（1）输入滤波器：消除来自电网的各

20、种干扰，如电动机启动，电器开关的合闸与关闭，雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。（2）AC-DC变换电路：将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供纹波较小的直流电压。而且，当电网瞬时停电时，滤波电容储存的能量尚能使开关电源输出维持一定的时间。（3）功率变换器(DC/AC)：它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。（4）输出整流滤波：将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。同时还防止高频噪音对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。（5）控制电路：检测输出直流电压，与基准电压比较，进行

21、隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。2.1.2 开关电源分类开关电源可分为DC/DC和AC/DC两大类。DC/DC类开关电源是将固定的直流电压变成可变的直流电压，也称为直流斩波器，其工作方式有两种：一是脉宽调制方式，T不变，改变t，二是频率调制方式，t不变而改变T(易产生干扰)。具体电路分以下几类：（1）Buck电路降压斩波器，其输出平均电压低于输入平均电压，极性入出相同；（2）Boost电路升压斩波器，其输出平均电压高于输入平均电压，极性入出相同；（3）Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入

22、电压，极性入出相反，电感传输；（4）Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性入出相反，电容传输。AC/DC变换器是将交流变换成直流，其功率电流流向可以是双向的。功率电流流向负载的称为“整流”，功率电流流向电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器按电路的结构方式可分为半波电路和全波电路；按电路的特点可分为不可控、半控和全控三类：按电源相数可分为单相、三相和多相；按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限和四象限。2.2 PWM开关电源基本原理早在20世纪60年代Buck开关电源就开始应用于电子设备中，它将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节占空比来控制输出直流

23、电压平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。使用合适的LC滤波器可将方波脉冲平滑成较小纹波的直流输出，其值等于方波脉冲的平均值。整个电路采用输出负反馈，通过检测输出电压并结合负反馈控制占空比，稳定输出电压不受输入电压和负载变化的影响8。在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过

24、“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比是开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来生高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压9。2.3 Buck变换器技术2.3.1 Buck变换器基本工作原理Buck电路是由一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的，其电路如图2.2。驱动信号Ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压Uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。电路的主要工作波形如图2.

25、3：图2.2 Buck变换器电路图2.3 Buck变换器的主要工作波形2.3.2 Buck变换器工作模态分析在分析Buck变换器之前，做出以下假设： 开关管Q、二极管D均为理想器件； 电感、电容均为理想元件；电感电流连续； 当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图2.4所示，各开关模态的工作情况描述如下：（1） 开关模态0t0t1t0t1对应图1.3（a)。在t0时刻，开关管Q恰好开通，二极管D截止。此时： （2-1）电感中的电流线性上升，式1-1可写成： （2-2）（2） 开关模态1t1t2t1t2对应图1.3（b)。在t1时刻，开

26、关管Q恰好关断，二极管D导通。此时： （2-3）电感中的电流线性下降，式1-3可写成： （2-4） 式中为开关管Q的关断时间。在稳态时，联解式1-2与式1-4可得： （2-5）输出电流平均值： （2-6） 图2.4(a) t0t1 图2.4(b) t1t2图2.4(a) t1t2的主要工作波形图2.4(b) t1t2的主要工作波形2.3.3 Buck变换器外特性在恒定占空比下，变化器的输出电压与输出电流的关系称为变换器的外特性。式2-5表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。当负载电流减小时，可能出现电感电流断续现象。图2.4为电感电流断续时电流波形图。由式2-2与式2-4

27、可知，当输入电压和输出电压一定时，为常数。由式2-6可见，当负载电流减少到时，此时最小负载电流，即为电感临界连续电流： （2-7）由式2-2及式2-5得，带入式2-7得： （2-8）由上式可见，临界连续电流与占空度的关系为二次函数，当D=1/2时，临界连续电流达到最大值： （2-9）当电感电流断续时，即在结束前续流二极管的电流已下降到0，此时输出的平均电流为： （2-10）式中，为开关管关断后电感电流持续的时间，并且： （2-11）稳态时，由式2-11得： （2-12）将式2-11及式2-12带入式2-10得： （2-13）即： （2-14）图2.5 电感电流断续时电流波形可见在电流断续区，输

28、出电压与输入电压之比不仅与占空比有关，而且与负载电流有关。第三章 通信电源的主电路设计通信开关稳压电源是指电压调整功能的器件是以开关方式工作的一种直流稳压电源，具有高效率、体积小的特点，广泛应用于通信领域中。目前，在小功率通信开关电源的设计中，普遍采用专用集成芯片控制脉宽调制技术。使用专用PWM控制芯片具有电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，但它的智能化程度低、人机交互性能差。针对这一现状，本文采用以AVR单片机为控制核心设计出的小功率数控稳压开关电源可以克服以上缺点。图3.1 基于AVR单片机通信开关电源原理图3.1 通信开关电源硬件设计指标和方案性能指标：输入电压：=48V

29、AC；输出性能：024V，；（额定输出为为=24V）输出电流：=2A； 当=0.1A时，电感电流临界连续；开关频率：=62.5KHz。 可以通过按键调节输出电压，并在LCD上显示开关电源的参数相关信息；具有故障自诊断，过压、过流保护等功能。 设计决策：电源采用电压型控制的Buck电路拓扑，为了减小启动时的浪涌，输入级使用了NTC热敏电阻减小充电电流，而且控制部分使用了ATMEGA16产生 PWM，工作频率定在62.5kHz。图3.2 开关电源主回路原理图3.2 输入整流器/滤波器部分的设计 输入整流器/滤波器电路在开关电源中不被人重视。典型的输入整流器/滤波器电流由三到四个部分组成：EMI滤波

30、器、浪涌抑制器、整流级（离线应用场合）和输入滤波电容。3.2.1 EMI滤波器随着电子设计、计算机与家用电器的大量涌现和广泛普及，电网噪声干扰日益严重并形成一种公害。特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高（几百伏至几千伏）、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰，常使人防不胜防，这已引起国内外电子界的高度重视10。电磁干扰滤波器（EMIFilter）是近年来被推广应用的一种新型组合器件。它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。输入滤波的前级是EMI滤波器。这个电感流过的是相对较大的直

31、流电流，并且要防止高频开关噪声进入输入电源端。在交流离线应用场合，经常用共模扼流圈，在本设计中，EMI滤波器选用二阶共模滤波器。EMI滤波器的主要作用是滤除开关噪声和由输入线引起的谐波11。图3.3 EMI滤波器3.2.2 单相桥式整流电路单相桥式式整流电路适用与1KW以下的整流电路中。完成这一电路主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。（1）工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流变换为直流的电路，因为是由四只整流二极管接成电桥的形式，所以称为桥式整流电路图3.4 单相桥式整流电路（2）参数计算 根输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。为21.5

32、欧姆时输出平均电压为：V过负载的平均电流为：A流过二极管的平均电流为： A二极管所承受的最大反向电压：=V二级管的选择应主要考虑以上两个因素。在这次设计中，电路用BUG808，5A的整流桥。（3）电容滤波电路参数的计算 负载平均电压升高，纹波减少，且越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取：在本设计中，采用AD80V的4700F电容。3.3 Buck开关主电路器件的选择3.3.1 占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比： （3-1）3.3.2 滤波电感（1）滤波电感量计算变换器轻载时，

33、如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，占空比大为减小，也就是说开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。所以，以最小输出电流作为电感临界连续电流来设计电感，即。在Q关断时，由式2-4得： （3-2） 由，取。（2）滤波电感设计 的电流是单向流动的，流过绕组的电流具有较大的直流分量，并叠加一个较小的交流分量，属于第三类工作状态。因此磁芯最大工作磁密可以选的很高，接近于饱和磁密； 的电流最大值为； 初选磁芯大小。初步选择TOKIN公司的FEER42磁芯，其有效导磁面积； 初选一个气

34、隙大小，以计算绕组匝数。取气隙，由式子得： （3-3）取N=7匝； 核算磁芯最高工作磁密Bm。由下式计算得： (3-4）FEER42磁芯的材质为2500B,其饱和磁密为，显然，符合要求。 计算绕组的线径。输出滤波电感电流有效值的最大值，取电流密度为，用线径为的漆包线，则需要其根数为： （3-5）取根。核算窗口面积。当用26根由线径为的漆包线来绕制时，其总的电面积为： （3-6）取填充系数，则需要磁芯的窗口面积为： （3-7）FEER42的窗口面积为，远远超过所需窗口面积，因此可以绕下。从前面的分析中可知，用FEER42磁芯来绕制输出滤波电感是合理的。综上，FEER42较常用，一般都选用该种磁芯

35、；同时工作磁密远远小于饱和磁密，其铁损非常小。3.3.3 滤波电容（1） 滤波电容量计算在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。该Buck变换器的输出电压纹波要求。若设，即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在时间间隔内充放电，电容充电的平均电流： （3-8）电容峰峰值纹波电压为： （3-9）因此，得： （3-10）取，D=0.4时，的值最大。即： （3-11）由得，由于考虑到整流桥部分则取=4700。（2）滤波电容的耐压值输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。由于最大输出电压为24V，则电容的耐压值为

36、24V。 （3）滤波电容的选取由输出滤波耐压值为24V，留有一定的裕量，则选取4700uF/50V电容。3.3.4 开关管Q的选取该电路的输入电压是67.87V，则开关管耐压值为67.87V，电流的最大值为，其开关频率为=62.5KHz，因此选用的MOSFET管MTD6N15T4G，其额定值为。3.3.5 续流二极管D的选取续流二极管所承受的最大反向电压为=67.87V；在时，二极管电流的有效值为；续流二极管的工作频率为f=62.5KHz。考虑一定的裕量，选用肖特基二极管SR150-1，其电压和电流额定值为：120V/2A。3.4 主电路Buck变换器开环仿真3.4.1 Buck变换器仿真参数

37、及指标图3.5 Buck变换器电路为了验证开环工作原理及正确性，采用SABER软件对电路做了仿真分析。仿真所用的参数为：输入直流电压：=67.87V；开关频率：=62.5KHz；输出滤波电感：=1152；输出滤波电容：=4.38；开关管：MOSFET，MTD6N15T4G；续流二极管：肖特基，SR150-1；3.4.2 Buck变换器开环仿真结果及分析图3.6给出仿真结果，波形依次为：开关管Q的驱动、A点电压波形、开关管电流波形、续流二极管电流波形、滤波电感电流波形、输出电压波形。图3.7给出输出波形图。其波形依次为输出电流波形、输出电压波形。由于是开环仿真，输出电压不稳定，纹波较大且易受到外

38、界干扰。从波形图上可得，仿真波形与理论分析波形一致。图3.6 Buck变换器的主要工作波形图3.7 Buck变换器的输出波形3.5辅助电源选择辅助电源主要是为了控制部分供电的，由于电流源的主电路有高频的开关管在工作噪声干扰大，所以为了确保控制部分的稳定性和可靠性，采用与主电路分离的电源电路供电。图3.8 系统的前级供电示意图图3.9 辅助电源电路图第四章 Buck变换器模型与MATLAB仿真分析设计一个具有良好动态和静态性能的开关电源时，控制环路的设计是很重要的一个部分，而环路的设计与主电路的拓扑和参数有极大关系。为了进行稳定性分析，有必要建立开关电源完整的小信号数学模型。开关电源一般工作在稳

39、态，实践表明，依据小信号扰动模型设计出的控制电路，能使开关电源的性能满足要求。本文采用Buck电路，工作在固定频率PWM控制方式以此为基础进行分析。本文关心的是整个系统的整体性能，而并不需要了解系统在闭环工作时每个具体器件的开关波形，所以本文以Buck变换器为例建立了其状态空间平均模型。由于种种限制，在DC/DC变换器的控制方面只是最近几年才有了较为集中的研究，且由于DC/DC变换器的精确模型较难建立，传统的控制方法较难得到好的控制特性。随着微电子技术，现代控制理论以及EDA技术等领域的飞速发展，越来越多的先进控制方法被用来控制DC/DC变换器，大大的改善了其性能，对这些先进控制方法的仿真具有

40、重要的现实意义。4.1 Buck变换器小信号模型建立及分析CfLfUinD图4.1 Buck电路由于Buck电路具有简单、直观、易于控制和分析的特点，以下首先以Buck变换器为控制对象进行控制系统仿真分析。BUCK变换器有两种工作状态：开关管导通模式(图4.2（a）所示)和开关管关断模式(图4.2(b)所示)。为简单起假定开关是理想的，同时认为状态变换是瞬间完成的，且工作于电流连续的状态12。若设占空比为D，则通过图4.2（a）（b）所示两种工作状态：(a) 开通 (b) 关断图4.2 开关Q开通和关断时的两等效电路在Q导通时，工作状态如图4.2(a)所示图中是输入电流，以电容电压，电感电流为

41、状态变量列写状态空间平均方程： (4.1) (4.2)Q关断时，工作状态如图4.2(b)所示。状态空间平均方程为： (4.3) (4.4)令： ， ， ， ， ， ，然后对两种状态进行平均得： (4.5)在稳态时X=0，因此有： (4.6) 式(4-6)是稳态方程。对式(4-5)进行小信号扰动，同时忽略二阶信号，再进行拉式变换，整理得： (4.7)将式(4-7)展开得： （4.8）由式(4-8)可得输出电压对输入电压，输出电压对占空比的传递函数分别为： (4.9) (4.10)4.2 控制系统的参数设计4.2.1 控制系统的传递函数根据上一节建立的系统稳态方程以及小信号模型表达式，写出了系统的

42、传递函数，Buck变换器原理图如图4.3所示图4.3 Buck变换器原理图下面结合具体的电路参数加以分析，根据具体的设计指标Buck电路参数为=67.87V，=24V，R=21.5。推导出4.2.2 利用MATLAB对系统进行仿真据此，利用MATLAB对系统进行仿真，得到系统开环幅频特性如图4.4所示。这一波特图是非常典型的波特图，所有源于Buck变换器的DC/DC变换器，如正激、推挽、半桥、全桥等变换器都具有相似的波特图13。低频段，相移最小，具有一定的低频增益，由于LC滤波器引入的双极点，增益以-40db/十倍频的斜率变化：图4.4系统开环幅频特性显然，该系统相位裕量很小，系统穿越频率低，而在实际系统中，要求系统有一定的稳定裕量以保持系统的鲁棒性，同时使系统获得较好的暂态特性14。因此，控制器设计必须保证足够的低频开环增益以使系统稳态误差满足要求，且开环穿越频率尽可能高，有充分的稳定裕量以满足系统动态性能要求 17。当变换器受到负载扰动或输入电压扰动时，其输出电压会出现上冲或下冲，然后逐渐恢复到稳态值。一般以过冲幅度和动态恢复时间表示动态性能，系统动态响应恢复时间与系统