基于PID控制方式的8A开关电源Psim

基于PID控制方式的8A开关电源Psim

仿真研究

学院：电气与光电学院

专业：电气工程及其自动化

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时间：2016年04月04日

1、绪论

开关调节系统常见的控制对象，包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节，这样就使问题变得复杂了。例如，已知主电路的时间常数较大、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，则又会使系统出现振荡。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，用控制器来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。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI控制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性；PID控制器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但实现与调试要复杂一些。本文中介绍基于PID控制器的Buck电路设计。

2、基于PID控制方式的Buck电路的综合设计

Buck变换器最常用的电力变换器，工程上常用的正激、半桥、全桥及推挽等均属于Buck族。现以Buck变换器为例，根据不同负载电流的要求，设计功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。

2.1设计指标

输入直流电压(V IN)：10V；

输出电压(V O)：5V；

输出电流(I I N)：8A；

输出电压纹波(V rr)：50mV；

基准电压(V ref)：1.5V；

开关频率(f s)：100kHz。

Buck变换器主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻ESR。

图1 Buck 变换器的主电路

2.2 Buck 主电路的参数设计 (1)滤波电容参数计算

输出纹波电压只与电容C 的大小有关及R c 有关：

N

rr L rr C I V

i V R 2.0=∆=

（1） 电解电容生产厂商很少给出ESR ，而且ESR 随着电容的容量和耐压变化很大，但是C 与R c 的乘积趋于常数，约为F Ω*80~50μ。本例中取为F Ω*75μ由式(1)可得R c =31.25m Ω，C=2400μF 。 (2)滤波电感参数计算

当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式（2）、（3）所示：

ON

L

ON L O IN T i L

V V V V ∆=--- （2） OFF

L

D L O T i L

V V V ∆=++ （3） 假设二极管的通态压降V D =0.5V ，电感中的电阻压降V L =0.1V ，开关管的导通压降V ON =0.5V 。 又因为

s

ON OFF f T T 1

=

+ （4） 所以由式（2）、（3）、（4）联立可得T ON =5.6μS ，并将此值回代式(2)，可得L=15.4μH 。 2.3用Psim 软件参数扫描法计算

当L=10uH 时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图2所示。

图2

当L=16uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图3所示。

图3

当L=20uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图4所示。

图4

采用Psim的参数扫描功能，有图可得，当L=16uH时，输出电流I IN=4A，输出电压U=5V。输出电压纹波

V rr =50mV ，所以选择L=15.4uH ，理论分析和计算机仿真结果是一致的。

2.4原始系统的设计

(1)设计电压采样网络。在设计开关调节系统时，为消除稳态误差，在低频段，尤其在直流频率点，开环传递函数的幅值要远大于1，即在直流频率点系统为深度负反馈系统。对于深度负反馈系统，参考电压与输出电压之比等于电压采样网络的传递函数，即

3

.05

5

.1==

=

o

ref V V H （5） (2)绘制原始系统的Bode 图。假设电路工作于电流连续模式(CCM)，忽略电容等效串联电阻（ESR ）的影响，加在PWM 的锯齿波信号峰峰值为V m =1.5V ，R x =3KHz ，R y =1.3KHz ，采用小信号模型分析，给出Buck 变换器传递函数为：

2

00

01()1uo

p p T s T s s Q ωω=⎛⎫

+

++

⎪ ⎪⎝⎭

（6）

式（6）具有双重极点，对应的控制对象是双重极点型控制对象。 交流小信号模型中电路参数的计算如下： 占空比 2.0==

Vin

V D O

直流增益 25

.11103.05.11=⨯⨯==in uo HV T ，dB T T uo dB uo 0.6lg 20== 双重极点频率 kHz LC f po po 83.010

4.151024002121266=⨯⨯⨯⨯===

--πππω

品质因数 Ω==8.70L

C

R Q ，dB Q Q dB 8.17lg 2000== 其中，0.625O

L IN

V R I =

=ΩKHz LC

po 2.51

==ω，根据上述计算结果可得到开环传递函数为： ()1

105.2107.32

528+⨯+⨯=

--s s T s （7）

根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图5所示，MATLAB 的程序如下： num1=2;

den1=[0.000000037 0.000025 1]; figure(1);

[mag,phase,w]=bode(num1,den1);