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基于PD控制方式的10A开关电源PISM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：开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电 压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成，大致由主电 路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成电源是组成各种电子设备的最基本部分， 每个电子设备均会要求有一个稳定可靠的直流电源来供给设备的各种信号处理电路的直流偏 置，以期达到各信号处理电路能稳定可靠的工作由于计算机技术突飞猛进的发展，数字信号 的控制和处理显示出越来越多的优点：便于计算机处理和控制，避免模拟信号传递畸变失真， 减少杂散信号的干扰，软件调试方便等例如，已知主屯路的时间常数较大、响应速度相对缓 慢，如果控制的响应速度也缓慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很迟缓；相反如果加快 控制器的响应速度，则乂会使系统出现振荡所以，开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、 抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用 控制器來改造控制对象的特性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。

本次实验是以PD控制下的开关电源PSIM仿真2. Buck变换器主电路设计0.100k13ufIIA=f=3000ufC1・・・.5Rc：：：5mohm hm图2. 1 Buck主电路图2. 1技术指标：输入直流电压（V/jV）： 10V；输出电压（色）：5V；输出电流（ZN）： 10A； 输出电压纹波（匕Q： 50mV； 基准电压（Vref）： 1.5V；开关频率（X）： 100kHz2. 2主电路各参数计算（1）滤波电容参数计算输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关:辽 _ 0. 2AV_ 50 x 10」_ 0. 2 x 10=25zzil(1)但C与R的乘积趋于常数，约为50〜80〃Q*F本例中取为75〃G*F,由式（1）可得：03000 “F o（2）滤波电感的计算根据基尔霍夫电压方程可知，开关管S闭合与导通状态输入电压匕v和输出电压屹满足如下关5 -心-5 - 系：＜V 5 5 =L假设稳压管D的通态压降Vd=0.5V,电感L中的电阻压降匕二0.1 V,开关管S导通压降VOjV=0.5V,10 - 5 - 0. 1 - 0. 5 = Z5 + 0.1 + 0.5 = Z Ton + Tqff = ~1100000可得：7^=5.6〃s Ton： = 4.4//s L = \2.32pF （取 13//F）由Psim仿真，得图2. 2和2.3图2. 2电感电流脉动当电感L=13uH,电感中的电流在7.3-9.35A之间，符合\iL =0.2IN的设计要求，并且理论分析 与仿真结果一样。

图2. 3输出电圧脉动当电感L=13uH,电感中的电流在5v左右，符合设计要求，并且理论分析与仿真结果一样2・3采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真当L=25uH时，电感电流纹波2.4和输出电压纹波2.5如下:9.209.008.808.608.408.208.00图2. 4 电感电流纹波图2.5输出电压纹波(2)当L=5uH时,电感电流纹波2. 6和输出电压纹波2.7如下:11图2.6电感电流纹波4.854.804.75"刪 liiiiiiiiliiiilti4.70II4.65 L-6.16.206.256.30 6.35Time (ms)6.406.45图2.7输出电压纹波采用PSIM的参数扫描功能，由图可得，当L=5uH或25uH时，电感中电流纹波和输出电压纹 波较大，调节时间较长；当L=13uH时，电感电流纹波最合适，波动较小，所以选择L=13uH, 理论分析和计算机仿真结果是一致的3.有关计算3.1原始回路有关计算1•釆用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始冋路增益函数G(S)为：&o(s)=(4)—■ 〃(s) ■ N + 5)Vm 1 + s L/R + s2 LC假设PFM锯齿波幅值匕二1.5V, Rx=3 KG , 二1.325 KQ,由此可得采用网络传递函数H（$） = 0.3,原始回路直流增益血=G[} = 2。

计算如下:必）R、瓦+瓦1.3253 + 1.3251.510(1 + s x 3000 x 10一& x 25 x 10一卄1 + s x 1222/」— + s2 x 12. 32 x IO-6 x 3000 x 10-631?51 + s x 3000 x 10~6 x 25 x 10~31 + s x 24. 64 x 10~6 + s2 x 12. 32 x 3000 x IO"12极点频率弓0] 12兀页 2^-712. 32xl06 X 3000 X 10"6=827. 8/fe根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图3.1.1所示，MATLAB的程序如下: num=[75000e-9 2];den=[63960*le-12 24.64*le-6 1];gO二tf (num, den);bode(gO);margin (gO);51 3.1.1仿真图（1） PD补偿网络如图3.2.1：图3. 2. 1 PD补偿网络结构图PD补偿网络传递函数为：1+—Gc（5）=Gc0>―学，知<3严叫1 +丄叫厂_尺+凡 1 _ 1R R/G （Rjg + RJG（2）确定补偿网络的参数为了提高穿越频率，加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率在=（丄〜丄）力=10〜20KHz之1间。

相位裕度在50之间，设相位裕度久=53PD补偿网络的零、极点频率计算公式为:-Sin5y =6.7KHZfp ~ fc1 + sin%l — sin%=20xJill=™所以 = 2/ = 42.1 Krad / s , 叫=2砒〃 =375.7Kmd / sPD补偿网络直流增益为:1力0(752. 5 )1X - X2则 Gc (s) = 118. 2 x1 * 42. 1 x 1031 + 357.7 x 1()3118.2x1 + 2-8x10^1 + 2. 66 x W65根据PD补偿网络的传递函数可以得到的波特图如图3.2.2所示，MATLAB的程序如下:num二[281.316*2-5 118. 2];den=[2. 66*le-6 1];g=tf(num,den); margin(g)65Bode Diagram Gm = Inf, Pm = Info o4 6 msQpwugw101010Frequency (rad/sec)30a)seud103107图3. 2.2 PD补偿网络Bode图系统传递函数为G(s)=他冶)_ 2x118.2x(1 + 2. 38 x 10~5s) (电容内阻心忽略)_ (1 + 2. 66 x 10"6s)(l + 24. 64 x W6s + 63960 x W,2s2)根据系统的传递函数可以得到的波特图如图3.2.3所示，MATLAB的程序如下: num=[75000e-9 2];den=[63960*le-12 24.64*1e-6 1];gO=tf(num, den);bode (gO)；margin (gO);hold onnum 二[281.316* le-5 118.2];den二[2. 66*1e-6 1];g=tf(num,den);margin(g)hold onnum=[75000e-9 2];den=[63960*le-12 24.64*le-6 1];f=tf(num.den);numl=[281.316*le-5 118. 2];denl=[2. 66*le-6 1];g=tf(numl,denl);num2=conv(num,num 1);den2=conv(den,den 1);margin(num2,den2)(6ap) asdBode DiagramGm = Inf dB (at Inf Hz), Pm = 52.3 deg (at 1.5e+004 Hz)50oomp) apmcHW图3.2.3 PD补偿网络Bode图(r}//r2+r3)c}相位裕度在50。

〜55之间由图知：f = \5KHz g (10A7fe,20A7fe),= 52. 3 g (50,55)，满足要求3. 3补偿网络电路中参数的计算^A = 98.5R——= 375.7KR3 C] 设 R=/?2=30KQ,可得 R()=0.6lKQ, C} = 1.6nF , R3 = l.66Kl (取 R()=0.7KO, C} = 2nF ,R、= 2KQ )20% 厶=2A/.V5 =-=2. 5Q20% 厶 2 2. 5 // R, = 0. 5 => R“ = 0. 625Q负载突加满载：如图3.3.1 （原理图），图3.3.2 （仿真图），图3.3.3 （仿真图）IILI25mohm5ohm625ohm3kohm〒c3000uf・ R2 30kohm・Rl-30kwv—ohmRO7kohm325koh:◎V2100k51-.2kR3hm图331原理图12 V1Time (ms)图3.3.2仿真图2・Y2.603.202.80 3.00Time (ms)图333仿真图负载突加卸载80%负载：如图334 （系统图），图335 （仿真图），图336 （仿真图）1IilLI13uf12e:1.RcVI1025mohm2 ・ 5ohm625ohm3ko=Fc3000ufRO 0・7kohm2kR3hmVW—1=1.5i"- • ■ ： ■ ：: -: ： II:图3.3.4系统图Time (ms)图3.3.5仿真图12 V1▼图336仿真图4.电压扰动电源加20%的扰动即8V和12V，其原理图和波形图如下11L/YYY\12ohm25mohmm3kohm1503000ufR2 30kohm-^Wv_rR1 30kohmCl2nf图4.1原理图RO0.。