数控开关电源设计_毕业论文

毕业论文 数控开关电源设计

1 绪论

1.1 课题研究背景

开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源。它以小型、高效、轻量的特点被广泛应用于各种电子设备中。开关电源控制部分绝大多数是按模拟信号来设计和工作的，其抗干扰能力不太好，信号有畸变。电源作为各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能优劣直接影响到整个电子系统的性能指标。随着科技的发展，电子设备不断更新换代，其种类越来越多，对电源的性能指标的要求越来越高，加之不同的电子设备对电源的要求又不尽相同，这样，给电源的研究带来了许多新的研究课题。在传统功率电子技术中，DC/DC变换器控制部分是按模拟信号进行设计和工作的。在六、七十年代，功率电子技术完全建立在模拟电路的基础上。但是近年来，随着数字信号处理技术的日益完善、成熟，微处理器/微控制器和数字信号处理器的性价比不断提高，数字控制在功率变换器中得到广泛应用。它使得开关电源向数字化、智能化、多功能化方向发展。这无疑提高了开关电源的性能和可靠性。例如电机、不间断电源（UPS）的控制电路都选用各种数字信号处理器或微处理器作为其核心控制部件。功率变换器已由模拟控制、模数混合控制，进入全数字化控制阶段。相对于模拟控制，数字控制有许多优点[1]：

（1）数字控制可以实现各种复杂的控制策略，提高控制系统的性能。由于开关器件的存在，功率变换器是强非线性系统。传统的模拟控制是在功率变换器近似线性模型的基础上，利用线性系统的各种设计方法来设计补偿网络，这种方法设计简单且容易实现。但随着对电源性能指标的要求不断提高，这种设计方法很难提高系统的控制性能。而数字控制可以实现各种非线性控制策略，使得控制系统的性能大大提高。

（2）数字控制系统具有很强的抗干扰能力。模拟元器件易受环境和温度的变化影响，所以模拟控制器稳定性差。数字控制器较少受到器件老化、环境或参数变化的影响，比模拟控制器更稳定可靠，具有很强的抗干扰能力。

（3）数字控制系统灵活性高，数字化极大地简化了变换器控制的硬件。采用数字控制技术可以设计统一的硬件平台，适用不同的变换器系统，只通过软件的改变就可以改变控制策略，无须硬件更改，同时，数字控制系统更容易实现过压、过流保护、输出电压调节、故障监测及通讯等功能，使电源“智能化”。

总之，对功率变换器采用数字控制方法大大提高了变换器的控制性能、灵活性等，变换器的性能主要由软件来决定，而不是在于大量离散元器件的参数，这就意味着成本和空间的节省以及实现复杂算法的能力。数字控制的这些优点大大提高了功率变换器的综合性能，由模拟控制向数字控制的转变是电力电子功率变换器的一大发展趋势。

1.1.1 开关电源的发展历史

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，但功率晶体管了作于开关状态后，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65～70％，而线性电源的效率只有30～40％。在发生世界性能源危机的年代，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。 1.1.2 我国开关电源历程

我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源的研制工作始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初开始研制无工频变压器开关稳压电源。近10多年来，许多研究机构、高校和工厂研制出多种类型的开关电源，并广泛用于电子计算机、通讯和彩色电视机等领域，效果较好。工作频率为100kHz-200KHz的高频开关稳压电源于90年代初试制成功，已走向应用阶段。90年代后，随着国外控制芯片的发展和引进，200kHz以上工作频率的开关电源研制也逐步走向成熟，并在许多领域替代了工作频率较低的开关电源。目前国内正在致力于研制高工作频率、多功能化、高效率的开关电源。虽然我国科技人员在开关电源研制方面取得了长足的进展，但与发达国家相比，仍存在着较大差距，尤其是开关电源PWM控制芯片，因为现有开关电源所用的PWM芯片几乎全部来自于国外。根据有关资料报道，西方发达国家把开关电源的工作频率己经提高到1MHz，甚至几十MHz。由于我国半导体技术和加工工艺还落后于西方发达国家，致使我国自行研制的开关电源中许多重要器件还依赖进口。要缩小与西方发达国家在开关电源研制方面的差距，尚需加快研发的步伐。 1.1.3 开关电源技术发展动向

（1）小型、薄型、轻量化

由于电源轻、小、薄的关键使高频化，因此，国外目前都在致力于同步开发新型元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器及电容小型化，并同时采用表面安装（SMT）技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。

（2）高效率

开关电源高频化使传统的PWM开关（硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也增大了，达不到高频、高效的预期效益，因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源未来的主流。采用软开关技术可以使效率达到85％～88％。

（3）高可靠性

可用模块电源使用的元器件比线性工作电源多数十倍，因此，降低了可靠性。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是从使用方面着想。

（4）模块化

可用模块电源组成分布式电源系统；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩大容量。

（5）低噪声

开关电源又一缺点时噪声大，单纯追求电源高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振变换技术，在原理上说明可以高频化，又可以低噪声。但谐振变换技术也有其难点，如果难准确地控制开关频率、谐振时增大了元器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗元器件热应力转向开关管等问题难以解决。

（6）抗电磁干扰（EMI）

当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其他电子设备干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准。

（7）电源系统的管理和控制

应用微处理器或微机集中控制和管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化。中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保正常运行。

（8）计算机辅助设计（CAD）

利用计算机对开关电源进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。

（9）产品更新加快

目前开关电源产品要求输入电压通用（使用世界各国电网电压规模），输出电压范围扩大，输入端功率因数进一步提高，具有安全、过压保护等功能。

1.2 DC-DC变换器动态分析方法概述

一般来讲，DC-DC变换器建模方式可分为两大类。一类称为数字仿真法，一类称为解析建模法，如图1.1所示。数字仿真法是利用各种各样的算法求得变换器某些特征性的数字解的方法。执行这类方法常常要利用数字计算机辅助来完成。数字仿真法又分可为两种，一种是直接数字仿真法，一种是间接数字仿真法。数字仿真法的优点是准确度和精确度都高，可以得到响应的完整波形，适用范围广，既可以进行小信号分析，也可以进行大信号分析，用起来方便；缺点是物理概念不甚清楚，对设计的指导意义不大。

DC-DC开关变换器的建数字仿真法 解析建模法 直接数字仿真法 间接数字仿真法 离散建模法 连续建模法 离散连续结合法 状态空间平图1.1

均法 DC-DC变换器建模方法分类

平均值电路等效法 解析建模法是指能用解析表达式表示其特性的建模方法。为做到这一点，在建模过程中常常需要做出某些近似的假定，以简化分析。解析建模法也可分为离散法和连续法。如图1.1右半边所示，离散法是以某一变量在一个周期中特定时刻的值为求解对象。建立描述这个变量与各作用量之间关系的差分方程或Z变换函数，求解这个差分方程或通过Z域分析，得到其解析解。这个方法的优点是准确度高；缺点是分析程序复杂，所得结果更为复杂。连续法也称连续建模法，是目前应用最广泛，最基本的方法，是指把本来在一个周期有两个或三个不同电路拓扑的电路，经过某种意义的平均处理，变为一个只有一种电路拓扑的连续工作的电路，即其工作可用一个连续的微分方程或者S域传递函数来描述。通过求解微分方程式或者S域分析得到其稳态和动态小信号的解析解，这种方法优点是简单，物理概念清楚，可以利用线性电路理论和控制理论来对变换器系统进行稳态和动态分析，对于变换器有指导意义。它的缺点是在信号频率较高，特别是接近开关频率一半的时候，准确度比离散法或数字仿真法低。但一般情况下其准确度是足够的。连续平均法是目前应用最广泛的，最基本的方法。连续平均法也可分为两种形式，一种是状态空间平均法，一种是平均值等效电路法，如图1.1下半部分所示。状态空间法是从变换器的不同拓扑下的状态空间方程出发，经过平均—小信号扰动—线性化处理，得到表征变换器稳态和动态小信号特性的数学模型；平均值等效电路法是从原变换器出发进行电路处理，最后得到一个等效电路模型。平均值等效电路法与状态空间平均法在其推导过程中的假定条件相同，所以，它们的准确度，适用范围也相同。都是适用于稳态和低频小信号扰动情况下，状态空间平均法在推导过程中开始可以不涉及变换器的具体电路，而从周期性工作的断续系统的状态方程出发，得到表征系统稳态和动态小信号模型与变换器原型的拓扑结构是不同的，而且不连续导电模式相同，平均值等效电路模型的推导要从具体变换器电路开始，然后得到等效电路模型[2]。

1.3 本课题的主要研究内容

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。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。

本文以Buck变换器为研究对象，设计了一个可控的开关电源。分析变换器的工作状态，连续模式（Continuous Conduct Mode，简称CCM）和断续模式（Discontinuous Conduct Mode，简称DCM）以及各自的特点、应用场合，论证了两种工作状态的临界模式，从电路参数的角度明确了二者的界限，为后面的设计奠定理论基础；通过对整个变换器系统建立准确的数学模型，对此变换器的电路结构做了进一步的研究，定性、定量地分析了变换器各部分的工作状态，为仿真和实验参数的确定以及电路参数的优化提供理论依据；从稳态分析的角度，为系统建立了动态小信号状态方程并推导出系统的传递函数，利用matlab对系统进行仿真，进而根据仿真结果对系统进行校正；最后，在前面所做工作的基础上，结合设计要求计算出此变换器系统中每个元器件的数值，搭建了硬件电路。实验电路的实验结果表明：该变换器的各项性能指标达到了设计要求，验证了设计方案的可行性以及理论分析的正确性。

在研究分析了Buck型DC/DC变换器建模方法的基础上，使用PID控制策略。通过对Buck变换器和进行建模仿真验证了这种控制策略，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变换器为试验平台设计了系统硬件电路，并通过软件编程最终进行了实现。试验结果表明这种控制策略具有很好的控制性能，算法实现比较简单，同时控制模块设计简单，可靠性高，是一种比较实用、易于实现的控制算法。

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、过流保护模块、LCD液晶显示模块等。根据实际要求，合理选用MOSFET功率器件，自制电感并配置系列。

2 开关电源基本原理概述

2.1 开关电源基本原理

2.1.1 开关电源基本构成

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“交流一直流变换电路”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“整流渡波电路”，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。

输输 UiAC-DC输输输输输输 Uo输输输输输输输输输输输输输输输输输输输输

图2.1

开关电源原理图

就图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，为变换器提供波纹较小的直流电压。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 开关电源的分类

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类。

1．DC/DC类开关电源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[3-5]

：

（1） Buck电路一一降压斩波器，其输出平均电压低于输入平均电压，极性入出相同；

（2） Boost电路一一升压斩波器，其输出平均电压高于输入平均电压，极性入出相同；

（3） Buck-Boost电路一一降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性入出相反，电感传输；

（4） Cuk电路一一降压或升压斩波器，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。

2．AC/DC变换器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。

3．.电路结构开关型稳压电源的电路结构有多种： （1）按驱动方式分，有自励式和他励式；

（2）按DC/DC变换器的工作方式分，有单端正激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等；

（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型；

（4）按控制方式分，有脉宽调制式、脉冲频率调制式和PWM与PFM混合式；

（5）按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式等。

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电压的平均值。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。

开关电源的工作过程相当容易理解。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“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。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。它们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管前要经过一个电压脉冲变换单元。 2.2.1 Buck开关电源的拓扑结构

图2.2

Buck变换器原理图

（1）各元器件功能

Q开关管；D继流二极管，在toff时为IL提供回路；L输出滤波电感，起储能作用；C输出滤波电容，起储能作用。

（2）电路各点波形

vbeILmaxiLILmaxiSiDiCvLVin-VovbettILminILminILmaxILminiLtILmaxtiStILmaxtiDttILmaxttVin-VoiCvLtToffTon-Vo-VotTonToff

图2.2（a）电感电流连续（CCM） 图2.2（b）电感电流不连续(DCM)

2.2.2 稳压原理

设占空比D，由图2-1所示，当开关Q导通时，忽略Q上损耗的压降，T流过电感的电流为i：它呈线性增长，由电感的状态方程可得

diLL?VIN?VOUTdt

(2.1)

当开关K1关断时，二极管Dl反向导通续流，流过电感的电流i：减小，忽略Dl上的损耗，电感L的状态方程为

diLL??VOUT dt(2.2)

关电源处于CCM时，开关的导通时间为DT，电感电流的变换量为(VIN?VOUT)DTV(1?D)T，开关的关断时间为(1?D)T，电感电流的变换量为OUTLL在稳定状态时，一个周期内电感电流的变化量为零，因此

(VIN?VOUT)DTVOUT(1?D)T?

LL(2.3)

VOUT?DVIN

(2.4)

公式 (2.4)表明，稳态时开关电源的输出电压是一个常数，其大小与占空比D和电源输入电压成正比。当电源电压变化时，系统通过调整占空比来获得稳定的输出电压

开关电源处于DCM(不连续工作模式)时，电感的初始电流为0，导通时间内

电感电流由上文可知为

(VIN?VOUT)DT(V?VOUT)DT电感的峰值电流为Ip?IN，设

LL开关的关断时间为toff则电感电流的变换量为

toff?toffVOUTL，从而可得

(VIN?VOUT)DT (2.5)

L在一个周期内，输出端电感向输出电容传递的电荷为Q，它可以通过对电感电流积分得到，也就是电感电流三角波下的面积。因此，可得负载电流IO为

IO?(V?VOUT)(DT?toff)DQDT?toff?Ip?INT2TL

(2.6)

有公式（2.5）、（2.6）

VOUT?VIN (2.7) 21?2LIO(DTVIN)由式(2.7)可知，所选用的输出电感越小，负载电流越小，开关电源越容易进入不连续工作状态。当

toff?(1?D)T时，可得连续与不连续模式的临界电流

IOCR1?(VIN?VOUT)DT2L

(2.8)

表明，当负载电流小于IOCR1时，开关电源进入不连续工作状态。

3 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。在频域模型下，波特图提供了一种简单方便的工程分析方法，可用来进行环路增益的计算和稳定性分析。由于开关电源本质上是一个非线性的控制对象，因此，用解析的办法建模只能近似建立其在稳态时的小信号扰动模型，而用该模型来解释大范围的扰动（例如启动过程和负载剧烈变化过程）并不完全准确。好在开关电源一般工作在稳态，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。本文开采用Buck电路，工作在固定频率PWM控制方式以此为基础进行分析。

这众多的方法中，最常用的是状态空间平均法。状态空间平均法是基于电源响应频率比开关频率小得多的实际情况，将功率级的状态方程进行数字处理和简化后得到一个近似的小信号线性电路模型或等效电路。

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，增强了鲁棒性。对这些先进控制方法的仿真具有重要的现实意义。

3.1 Buck变换器小信号模型建立及分析

LUD Cf

图3.1

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3.2（a）所示)和开关管关断模式(图3.2(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。若设占空比为D，则通过图3.2（a）（b）所示两种工作状态：

UinUc

(a) 开通 (b) 关断

图3.2

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3.1(a)所示图中iin是输入电流，以电容电压uc，电感电流iLf为状态变量列写状态空间平均方程：

?diLf??dt?d?uc?d?t????0?????1????Cf?????i??Lf?1???uc?RLCf??1Lf?1???L???f??0????Uin??

(3.1)

?Uo??0?????is??11??iLf??0???uc????

(3.2)

Q关断时，工作状态如图3.2(b)所示。状态空间平均方程为：

?diLf??dt?d?uc?d?t????0?????1????Cf???1?Lf??iLf???1???uc?RLCf??????

(3.3)

?Uo??0?????is??01??iLf??0???uc????

(3.4)

?i令：X??Lf?u?c??0A2???1??C?f??Uo??0? ， ，Y????A1???i?s??1???? ?1??RLCf??1Lf??C?f?1，B??Lf1??0??? ???

?1?Lf? ??1??RLCf???01??0??01?TC?，B2??? ，C1T?? ，2?? ?00???0??10?然后对两种状态进行平均得：

??1?0??Lf?A?AD?AD???12??1?1???CRLCff????D??????B?B1D?B2D???Lf???0?????1??0TT?CT?C1D?C2D????0???D???X?AX?Buin?Y?CTX??????????

(3.5)

?＝0，因此有： 在稳态时X?1??X??ABuin (3.6) ?T?1??Y??CABuin式(3-6)是稳态方程。对式(3-5)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：

???sX??Bu?in????A1?A2?X??B1?B2?uin??d(s)?(s)?Ax?TT???CTx?Y?C?CXd???(s)12(s)?(3.7)

将式(3-7)展开得：

?cuuin?D???si???u?din?LfLfLfLf???Li?cuf?su????cCRLCff??u?o?u?c?????i?s?DiLf?ILfd

（3.8）

由式(3-8)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：

Gio??o(s)u?i(s)u???0d(s)DLfCfs2?sLfRL?1

(3.9)

?o(s)uGdv??d(s)??i(s)?0uUiLfCfs2?sLfRL?1

(3.10)

3.2 控制系统的参数设计

3.2.1 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，写出了系统的传递函数，Buck变换器原理图如图3.3所示

图3.3

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

Vin?20V，VO?12V，L?150uH，C?1000uF，R?10?。推导出

G(s)?133333333

s2?100s?66666673.2.2 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3.4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。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

Bode Diagram6040Magnitude (dB)Phase (deg)200-20-400-45-90-135-18010210310Frequency (rad/sec)4105

图3.4 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。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开环穿越频率相关，穿越频率越高，动态恢复时间越短；过冲幅度和系统相位裕量有关，相位裕量越大，波动幅度越小。对于一个稳定的调压系统，增益裕量应大于6dB，相位裕量大于45o[6-7]

3.3 PID算法优化控制

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，应用极为广泛，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。模拟PID控制系统原理框图如图3.5所示。

图3.5

模拟PID控制系统原理框图

3.3.1 加比例P控制器

所谓比例调节是指调节器的输出信号与输入偏差信号成比例关系。P调节有如下特点：①有差调节；②系统静差随比例带的增大而增大；③不适合随动系统；④增大比例增益不仅可以减小静差，还可以降低系统惯性。

图3.6

Simulink仿真原理图

3.3.2 加入PI比例积分控制器

所谓积分调节是指调节器的输出信号与输入偏差信号的积分成比例关系。PI调节有如下特点：①无差调节；②与P调节比较，过渡过程缓慢，系统稳定性变差；③增大积分速度可以提高系统响应速度，但却增加系统的不稳定性。

由原系统传递函数可知，该系统为稳定系统，当加入PI比例微分环节后，可通过频率响应法来判断其稳定性。当加入PI比例微分控制器后，系统的传递函数为：

1??s?ms2GPI(s) ? 1??s1?bKc?ms2Kc(1??s) ?

?ms2??bKcs?bKc(1??s)/b ? ?m/bKcs2??s?1Kc其中的PI比例微分环节Gc(s)?3.3.3 加入PID比例积分控制器

Kc(1??s) ?s在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制规律，简称PID。即使是科学技术飞速发展、许多新的控制方法不断涌现的今天，PID作为最基本的控制方式仍显示出强大的生命力。PID之所以能够作为一种基本控制方式获得广泛应用，是由于它具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等许多优点。因此，在过程控制中，一提到调节器控制规律，人们总是首先想到PID。

PID控制特点如下：

(1)其中的比例环节可加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统由比较大的超调，并产生震荡，使系统的稳定性变差。

(2)其中的积分环节有利于减小超调，减小震荡，使系统的稳定性增强，但会增加系统调节时间。

(3)其中的微分环节有利于加快系统的响应速度，使系统快速稳定。

(4)PID就是综合比例、积分、微分的优点，取长补短，对其参数进行适当的整定后，可以使系统兼顾各个方面而满足要求。

当加入PID后，系统的传递函数变为

KcT1T2s2?KcT2s?KcG(s)? 2(mT2?bKcT1T2)s?bKcT2s?Kcb其中PID控制环节

Gc(s)?Kc(1?T1s?1) T2s其中Kc—比例增益；T1—微分常数；T2—积分常数 3.3.4 加入PID控制器研究与分析

基于Bode图的频域法的控制器设计目标主要包括两个：一是提高穿越频率（即带宽），它决定了动态响应速度；二是增大相位裕量，它决定了动态响应输出的上冲和下冲幅度。这里控制器采用的是PID控制器，PID控制器传递函数为：

KGc?s??KP?I?KDs (3.11)

s式（3.11）中，为比例增益，为积分增益，为微分增益。控制器个极点和两个零点，PID设计的优势在于能加快瞬态响应。经过反复试验，

134?1.98?10?4 KP?0.567，Ki?134，KD?1.98?10?4，Gc?s??0.567?s

Bode Diagram6040Magnitude (dB)Phase (deg)200-20-40450-45-90-135-180101102103104105Frequency (rad/sec)

图3.7 Buck变换器小信号模型Bode图

补偿后系统Bode图如图3.7中绿色所示[8]。显然，相位裕量和带宽都明显改善。相位裕量足够大，增加了系统的稳定性，而且系统的低频增益也得到了提高，低频增益越高，系统稳态误差越小。

4 开关电源的主电路系统设计

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，广泛应用于各种通信、电子、电器设备领域中[9]。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。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。

输输 UiDC/DC输输输输输输输输输输输 Io输输 UoPWM输输输输AVR输输输输输输输输PWM输输输输输输输输

图4.1

基于AVR单片机开关电源原理图

4.1 开关电源硬件设计指标和方案

4.1.1 技术指标

（1）输出电压Vout可调范围：2~22 V，步进0.2 V； （3）输出噪声纹波电压峰-峰值

Vopp?100mV，DC-DC的满载效率??80%；

（4）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；

（5）具有故障自诊断，过压、过流保护等功能。 4.1.2 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

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