Buck電路的設(shè)計與仿真閉環(huán)設(shè)計及仿真

會計學(xué)1Buck電路的設(shè)計與仿真閉環(huán)設(shè)計及仿真DC-DC電路(Buck)的設(shè)計與仿真開環(huán)設(shè)計；開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型細化；閉環(huán)設(shè)計與仿真；閉環(huán)仿真；元件級設(shè)計與仿真。第1頁/共52頁四、電路閉環(huán)設(shè)計閉環(huán)控制的基本概念與控制框圖PWM型DC-DC變換器的狀態(tài)空間平均法及低頻小信號模型閉環(huán)控制系統(tǒng)的補償?shù)?頁/共52頁閉環(huán)控制的基本概念第3頁/共52頁控制框圖（例1）第4頁/共52頁控制框圖（例2）第5頁/共52頁

四、電路閉環(huán)設(shè)計閉環(huán)控制的基本概念與控制框圖PWM型DC-DC變換器的狀態(tài)空間平均法及低頻小信號模型閉環(huán)控制系統(tǒng)的補償?shù)?頁/共52頁AverageModel第7頁/共52頁狀態(tài)空間平均法：(1)狀態(tài)方程（1）理想器件假定基礎(chǔ)上,

CCM下的Buck型DC-DC變換器，可用兩個線性時變電路來等效；狀態(tài)方程分別為：第8頁/共52頁狀態(tài)空間平均法：(2)穩(wěn)態(tài)平均（2）基于變換器低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率fc<<開關(guān)頻率fs的假定，將狀態(tài)方程在時間空間上的平均：穩(wěn)態(tài)條件下：第9頁/共52頁狀態(tài)空間平均法：(3)擾動并分離穩(wěn)態(tài)量（3）基于擾動信號頻率fp<<開關(guān)頻率fs的假定，在穩(wěn)態(tài)量基礎(chǔ)上進行低頻小信號擾動。分離穩(wěn)態(tài)量：將擾動量代入基本狀態(tài)變量方程，并將穩(wěn)態(tài)與動態(tài)量分離：第10頁/共52頁狀態(tài)空間平均法：(4)方程線性化（4）線性化：基于擾動信號與穩(wěn)態(tài)量相比為小信號的假定，由此可以忽略二階微小量，可得到描述變換器動態(tài)低頻小信號行為的狀態(tài)空間平均方程。第11頁/共52頁狀態(tài)空間平均法：(5)求解方程在S域求解狀態(tài)方程：可求得變換器的等效傳遞函數(shù)，如輸入到輸出的傳遞函數(shù)、控制到輸出的傳遞函數(shù)。第12頁/共52頁穩(wěn)態(tài)和低頻小信號等效電路模型小信號控制作用：由兩個與占空比擾動量有關(guān)的受控源組成，表示占空比的小范圍擾動對輸出電壓和輸入電流的影響。直流變換作用：理想變壓器，表示不考慮寄生參數(shù)時變換器的理想穩(wěn)態(tài)電壓變比。低通濾波作用：濾波器的濾波作用，虛線框中的連接方式只是表示了一種低通濾波器的連接方式。等效電路可由四個參數(shù)來表征。第13頁/共52頁基本理想變換器的統(tǒng)一等效電路模型參數(shù)第14頁/共52頁根據(jù)等效模型求解傳遞函數(shù)第15頁/共52頁Buck變換器的傳遞函數(shù)TransferFunctionTransferFunction第16頁/共52頁Buck變換器控制到輸出的傳遞函數(shù),第17頁/共52頁Boost變換器的傳遞函數(shù)TransferFunctionTransferFunction第18頁/共52頁Boost變換器控制到輸出的傳遞函數(shù)MovingPolesMovingRight-half-PlaneZero,第19頁/共52頁

四、電路閉環(huán)設(shè)計閉環(huán)控制的基本概念與控制框圖PWM型DC-DC變換器的狀態(tài)空間平均法及低頻小信號模型閉環(huán)控制系統(tǒng)的補償?shù)?0頁/共52頁控制目標(biāo)FeedbackControltoAchieve:? Accuracy? Speed? Stability第21頁/共52頁open-loopaudio-susceptibilityopen-loopoutputimpedancecontrol-to-outputtransferfunctioncompensatorgainPWMgain控制框圖及關(guān)鍵開環(huán)傳遞函數(shù)第22頁/共52頁Small-SignalPWMgain,FM調(diào)制環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)第23頁/共52頁(1)(2)閉環(huán)傳遞函數(shù)：閉環(huán)音頻衰減第24頁/共52頁From(3)and(2)(3)閉環(huán)傳遞函數(shù)：閉環(huán)輸出阻抗第25頁/共52頁Highgain@lowfreq.Widebandwidth理想的環(huán)路增益特征第26頁/共52頁穩(wěn)定裕量的概念第27頁/共52頁設(shè)計實例確定開環(huán)傳遞函數(shù)(MathCAD)(forward2008)增加檢測及調(diào)制環(huán)節(jié)第28頁/共52頁30設(shè)計步驟開環(huán)傳遞函數(shù)檢測及調(diào)制環(huán)節(jié)第29頁/共52頁設(shè)計步驟根據(jù)傳遞函數(shù)選擇補償環(huán)節(jié)確定補償環(huán)節(jié)參數(shù)。確定開環(huán)截止頻率(截止頻率取1/4~1/5fs);，通過設(shè)計Gc(s)使開環(huán)傳遞函數(shù)滿足fc（取20k）處0dB,斜率為-1；-30.7dB，Gc(fc)=30.7dB，R2/R1，R1=1k，R2=34k，取33k；第30頁/共52頁設(shè)計步驟確定補償環(huán)節(jié)參數(shù)。確定開環(huán)截止頻率(截止頻率取1/4~1/5fs)，通過設(shè)計Gc(s)使補償后滿足低頻零點fz，增加低頻增益并降低低頻紋波，設(shè)置極點fp以減小高頻噪聲（但會引起相位滯后）。允許的相位滯后：180-45-83（LC濾波器自身的相位滯后）=52。根據(jù)Venable的方法，選定K=fc/fz=fp/fc,對應(yīng)不同的K值，該滯后補償環(huán)節(jié)引起的fc處的相位滯后為下表。由此可選K=2，為保證相位裕量，建議取k=2.5。第31頁/共52頁33設(shè)計步驟（MathCAD）選擇補償環(huán)節(jié)確定開環(huán)截止頻率(截止頻率取1/4~1/5fs);，通過設(shè)計Gc(s)使開環(huán)傳遞函數(shù)滿足因此fz=8k，可得C1=60n，取62nF；fp=50k，C2=96p，取100pF；繪制補償后的開環(huán)傳遞函數(shù)幅相特性曲線，最終可得fc=18k，相角裕量61.5度第32頁/共52頁補償后的開環(huán)傳函幅相特性曲線第33頁/共52頁滯后環(huán)節(jié)的特性K相位滯后2532.543336428第34頁/共52頁36設(shè)計步驟驗證與調(diào)整：時域仿真與實驗驗證？。結(jié)論補償器在低頻處有一個極點，通過提高誤差放大器的開環(huán)增益改善輸出調(diào)節(jié)性能，并降低低頻紋波；在輸出濾波器最低極點頻率或以下引入一個零點，以補償濾波器極點引起的相位滯后；補償器的最后一個極點用來衰減高頻分量，以抵消輸出濾波電容ESR引起的零點作用第35頁/共52頁閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計推導(dǎo)變換器的小信號模型，得出控制到輸出的傳遞函數(shù)；（仿真驗證—小信號分析）得出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，給出Gc(s)=1時的Bode圖；選擇合適的補償環(huán)節(jié)；根據(jù)一定的準(zhǔn)則（要求）設(shè)計補償環(huán)節(jié)參數(shù)；驗證MathCAD繪制Bode圖交流小信號分析時域仿真forward_cl_11第36頁/共52頁小結(jié)閉環(huán)控制的基本概念。掌握閉環(huán)設(shè)計的基本概念掌握滯后環(huán)節(jié)的控制器電路，了解閉環(huán)參數(shù)設(shè)計方法。參考書：蔡宣三、龔紹文、張衛(wèi)平等關(guān)于建模的書籍作業(yè)：1：完成單端正激電路設(shè)計報告（含變壓器與電感器的設(shè)計）；2.用分立元件搭建閉環(huán)控制仿真模型與閉環(huán)仿真文件：buck_cl_1。第37頁/共52頁第二章

DC-DC電路(Buck)的設(shè)計與仿真第38頁/共52頁DC-DC電路(Buck)的設(shè)計與仿真開環(huán)設(shè)計；開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型細化；閉環(huán)設(shè)計與仿真；閉環(huán)仿真；元件級設(shè)計與仿真。第39頁/共52頁三、閉環(huán)設(shè)計與仿真閉環(huán)控制的基本概念PWM型DC-DC變換器控制框圖PWM型DC-DC變換器的低頻小信號模型閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計與控制系統(tǒng)頻域仿真第40頁/共52頁平均模型的頻域分析:交流小信號分析概念交流小信號分析是一種線性頻域分析。程序在電路直流工作點的基礎(chǔ)上，確定電路中非線性器件的線性化模型參數(shù)，然后在用戶指定的頻率范圍內(nèi)，對此線性化電路施加小信號擾動，進行頻率掃描分析。交流小信號仿真分析可得到電路的幅頻和相頻響應(yīng)特性。第41頁/共52頁計算控制電壓Vc并仿真驗證建立仿真模型（平均模型forward_avg4）仿真分析開環(huán)時域仿真（驗證Vc及開環(huán)可工作，觀測電感電流和輸出電壓消除了開關(guān)過程影響）。第42頁/共52頁平均模型的頻域分析：執(zhí)行仿真ExecutinganACAnalysisSetBreakpoint=ACvoltagesourceBasic:StartFrequency,EndFrequency,IncrementType,samplepointdensity;numberofpoints;Input/output:InitialPointFilefield(tr1,tr2,etc.).ViewingtheSmallSignalAnalysisResultsselectandplotthesignals(vout,etc.)MeasuringACAnalysisResultsExecutingtheaveragemodelswithdifferentcapacitorESR(openloop).第43頁/共52頁VerifyingtheFeedbackCompensationFrequencyResponseChangetheinputsourcetocontrolsignalSetBreakpoint=user3(control)Determinethetime-domain(transient)response(endpointfiletr2)willbeusedasinitialpointfileinacanalysis.ChangetheinputsourcetotheaveragemodelSetBreakpoint=user2(acvoltagesource)AnalyzethefrequencyresponsePlotfileac2,initialpointfiletr2ViewingtheSmallSignalAnalysisResultsselectandplotthesignals(vout,vc2etc.)第44頁/共52頁驗證系統(tǒng)參數(shù)（時域仿真）Saber中的狀態(tài)空間平均模型（概念與模型）；計算控制電壓Vc，驗證模型正確性（開環(huán)仿真）；平均模型的頻域分析（控制到輸出的幅相特性曲線）（開環(huán)仿真）；設(shè)計閉環(huán)補償環(huán)節(jié)（已完成）；開環(huán)與閉環(huán)頻率響應(yīng)仿真（交流小信號模型）；驗證系統(tǒng)參數(shù)（時域仿真）。第45頁/共52頁元件級設(shè)計與仿真開環(huán)設(shè)計；開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型細化；閉環(huán)設(shè)計與仿真；元件級設(shè)計與仿真。第46頁/共52頁四、元件級設(shè)計與仿真主電路的元件級設(shè)計控制電路和驅(qū)動電路的設(shè)計（補償環(huán)節(jié)、調(diào)制環(huán)節(jié)原理與設(shè)計，PWM控制芯片，驅(qū)動信號的隔離與放大）其他輔助電路設(shè)計（吸收電路等）閉環(huán)控制系統(tǒng)的元件級仿真第47頁/共52頁主電路的元件級設(shè)計與仿真主電路元器件開關(guān)管、二極管、高頻變壓器、濾波電感、濾波電容仿真分析電應(yīng)力分析（電壓尖峰、電流尖峰）第48頁/共52頁控制電路和驅(qū)動電路的設(shè)計補償環(huán)節(jié)調(diào)制環(huán)節(jié)原理與設(shè)計驗證Vc；驗證閉環(huán)設(shè)計（瞬態(tài)分析）PWM控制芯片（SG3525等）驅(qū)動信號的放大；隔離方式；第49頁/共52頁閉環(huán)電路仿真調(diào)試思路子系統(tǒng)系統(tǒng)理想器件模型主電路開環(huán)仿真SG3525SG3525+理想器件模型主電路開環(huán)仿真SG3525+理想器件模型主電路閉環(huán)仿真實際器件模型主電路開環(huán)仿真SG3525+實際器件模型主電路開環(huán)仿真（VCVS）SG3525+