基于PID的BUCK电路设计

基于PID的BUCK电路设计

专 业：电气工程 姓 名：xxxxx 学 号:xxxxxx

一.实验目的

了解BUCK电路的原理，以及对BUCK电路进行设计，本文用PID进行控制，并用MATLAB进行仿真。

二.实验要求

1.Ui=24V (±20%)，Uo= 12V,(稳定度1%) 2.输出电压纹波Vpp?70mV； 3.输出电流I0=1A；

4.输出由满载到半载时Vpp=150mV；

三.BUCK电路开环参数设计

由输出电压Uo= 12V，I0=1A，所以R=12Ω。L,C值由以下公式求出；

UiTD?1?D??I0——————————(1) 2LV(1?D)T2U0?pp——————————(2)

28LC其中I0=1A，U0=12V，取开关频率f=20kHz，取Vpp=50mV，D=0.5。

由(1)求出：L?1.5?10?4H，留有一定的裕量，取L=3?10?4H。 由(2)求得C ?5?10?4F，留有一定的裕量，取C= 6?10?4F。 考虑电解电容寄生电阻ESR的影响：

因为输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，

VrrVrrRC???iL0.2IN—————————(3)

电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF。在本课题中取为50μΩ*F，由式(3)可得RC=83mΩ。

3.1对开环BUCK电路进行仿真

图1 开环电路仿真图

仿真波形图：

图2 开环电流/电压输出波形

电压放大图 电流放大图

图中可以看出电压输出稳定在11.6V, Vpp?11.625?11.575?50mV?70mV，电流稳定在0.967A。且超调很大，不满足设计要求，需对其进行闭环控制。

将开关器件MOSFET、DIODE设为ideal switch波形图如下：

图3 理想开关状态下电压仿真波形

如图，波形输出电压为12V。

分析：开环电路参数设计没问题，但开关器件不是理想的，存在寄生电阻等，所以电压、电流输出稳定值有误差。

四、BUCK电路闭环设计

Vi＋ － UcPID PWM 开关电路 图4闭环控制系统原理图

4.1.BUCK的开环传递函数

1.考虑电容寄生电阻ESR的影响：

开关电路的传递函数为：G0?s??电压值。

PWM比较器的传递函数为：Gp?s??11Vm?；——————锯齿波幅值。 KTVmVi(RCCs?1)；Vi—————工作点处输入

LCs2?sL?1R开环传递函数：Gvd?s??Go?s?Gp?s? ?Vi(RCCs?1)1? 2sLVmLCs??1R取Vm=1.2V，使占空比最大在80%左右，实际中占空比不可能达到1。

20(5e?5s?1)代入数据得：Gvd?s? ?

18?e?8s2?0.25e?4s?12.求开环增益

K(5e?5s?1)20k(5e?5s?1)? ； G?s? ?18?e?8s2?0.25e?4s?118?e?8s2?0.25e?4s?1由esr?Vpp=50mV ，参考电压为12V。根据esr?limss?0112*?50e?3，得

1?G?s?sK=240，所以k=12。

3.用MATLAT仿真开环BODE图：

>> G=tf(conv([240],[5e-5 1]),[18e-8 0.25e-4 1]);

margin(G) grid

图5 开环BODE图

由BODE图可知：相位裕度为Pm=74.1 deg，截止频率wc?6.95e4rad/s。虽然相位裕度满足，但剪切频率太大，不符合wc?fs5~fs4的要求。

4.2.用PID对BUCK电路进行闭环控制的设计

PI控制能同时改变系统的相对稳定性和稳态误差，但增加了响应时间；PD

控制可增加系统的阻尼，改善系统的动态品质，但不改变稳态响应；PID调节则集合了PI和PD的优点。

根据BODE定理，调节后的回路增益应满足-20dB/dec的斜率穿过剪切点wc，并且至少在剪切频率左右2wc的范围内保持此斜率不变。实际应用中，常选取

wc?fs5~fs4。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ggst.html