基于PD控制方式的1A开关电源Multisim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：引言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。

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。

1.Buck 变换器主电路设计1.1技术指标输入直流电压（V IN ）：10V 输出电压（V O ）：5V 输出电流（I N ）：1A 输出纹波电压（V rr ）：50mV 基准电压（V ref ）：1.5V 开关频率（f s ）：100KHZ图1 1.2主电路各参数计算 滤波电容参数计算输出纹波电压只与电容C 的大小以及用量有关 （1）Ω=⨯=⨯=∆=m I V i V R N rr L C 25012.0502.0rr 但C 与R C 的乘积趋于常数,约为50～80µΩ·F 。

本例中取为75µΩ·F 。

由式( 1) 可得：-375FC==300F25010μμΩ⋅⨯Ω1.3滤波电感参数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和输出电压满足如下关系:）（3T i L V V V OFFLD L O ∆=++ 假设二极管通态压降V D =0.5V ，电感L 中的电阻压降V L =0.1V ，开关管S 导通压降V ON =0.5V 。

ONT 2.0L 4.45.0-1.0-5-10⨯== ONT s -⨯==++μ102.0L 6.55.01.05由 fT T off on 1=+，解得T ON =5.6µs，L=123.2µH。

1.4采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真 输出电压和电流以及输出纹波如下： 当L=113.2uH 时图2）（2T i V -V -V -V ONLONL O IN ∆=图3 当L=123.2uH时图4图5 当L=133.2时图6图7当L=123.2µH 时，电感电流在0.90～1.10之间脉动，符合Δi L ≤0.2I N =0.2。

2.控制方案及参数设计2.1原始回路有关计算1.采用小信号模型分析方法可得Buck 变换器原始回路增益函数()S G 0为：()()()LCs R L s sCR V s H V s G C IN m 20111+++••=假设PWM 锯齿波幅值m V =1.5V ，x R =3ΩK ，y R =1.3ΩK ，由此可得采用网络传递函数 ()3.0=s H ，原始回路直流增益4.200==G A 。

计算如下：()3.03.133.1≈+=+=y x y R R R s H ()()12263666-26-360103002.1231064.24110250103001210300102.1235102.123110250103001103.05.11-------⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯⨯+•=⨯⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯⨯+••=s s s s s s s G ()200=G极点频率Hz LCf p 85.82710300102.1232121660=⨯⨯⨯==--ππ根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图所示，MATLAB 的程序如下num=[2];den=[3.696e-8 24.64e-6 1];g=tf(num,den);margin(g);图82.2补偿网络设计 2.2.1 PD 补偿网络电路图图9PD 补偿网络传递函数为：-40-202040M a g n i t u d e (d B )101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf Hz) , P m = 6.36 deg (at 1.43e+003 Hz)Frequency (Hz)()pzC C ssG s G ωω++•=110 ，p c Z ωωω<<0210R R R G C +-= ， 131C R p •=ω ， ()1321//1C R R R z +=ωPD 补偿网络的传递函数可以得到的波特图如图8所示，MATLAB 的程序如下：num=[174.08e-5 56.52];den=[3.653e-6 1];g=tf(num,den);margin(g);图102.2.2 确定补偿网络的参数为了提高穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率c f =（101～51）s f ，设 KHZ KHZ f f s c 15100203203=⨯==，相位裕度控制在50º～55º。

设相位裕度οϕ52=m ，PD 补偿网络的零、极点频率计算公式为：KHz f f m m cz 165.552sin 152sin 115sin 1sin 1=+-⨯=+-=οοϕϕ3540455055M a g n i t u d e (d B )10101010103060P h a s e (d e g )Bode Diagram Gm = Inf , P m = InfFrequency (Hz)KHz f f m m cp 56.4352sin 152sin 115sin 1sin 1=-+⨯=-+=οοϕϕ所以s Krad f z z /45.32165.522=⨯==ππω ， s Krad f p p /72.27356.4322=⨯==ππω PD 补偿网络直流增益为：52.5656.43165.52185.82715120200=⨯⨯=••⎪⎪⎭⎫⎝⎛=）（K f f Af f G p z p c C 则()S s s ss G C 653310653.311008.3152.561072.27311045.32152.56--⨯+⨯+⨯=⨯+⨯+⨯= 系统传递函数为：()()()()()()212665010369601064.24110653.311008.3152.562s s s ss G s G s G C ----⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯==（电容内阻C R 忽略）根据系统的传递函数可以得到系统的波特图如图9所示，MATLAB 的程序如下：num=conv(113.04,[3.08e-5 1]);den=conv([3.696e-8 24.64e-6 1],[3.653e-6 1]); g=tf(num,den); margin(g);图11由图知：∈=Z 9.12KH f （10KHZ ，20KHZ ），∈=οϕ9.52（50º，55º）满足条件。

总系统伯德图如图10所示： num=[2];den=[0.0000000369 0.000024 1]; g0=tf(num,den); bode(g0); margin(g0); hold onnum=[144.4377e-5 57.09]; den=[2.53e-6,1]; g=tf(num,den); margin(g); hold on num=[2];den=[0.0000000369 0.000024 1]; f=tf(num,den);num1=[144.4377e-5 57.09]; den1=[2.53e-6,1];-100-5050100M a g n i t u d e (d B )1010101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf Hz) , P m = 52.9 deg (at 1.29e+004 Hz)Frequency (Hz)g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)图122.2.3补偿网络电路中参数的计算52.56021=+R R RK C R 72.273113=• ()K C R R R 45.32//11321=+ 设Ω==K R R 3021，由上式可得Ω=K R 06.10，nF C 81.11=，Ω=K R 02.23（取Ω=K R 10， nF C 8.11=，Ω=K R 23）A I N 2.0%20=Ω==252.05%20N IN I V Ω=⇒Ω==25.65//25n n R R R-150-100-50050100M a g n i t u d e (d B )1010101010-180-9090P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf Hz) , P m = 53.3 deg (at 1.35e+004 Hz)Frequency (Hz)3.总电路图的设计图13图14 图15输出纹波电压图15由图可见，加入补偿网络后，输出电压稳定在5V左右。

图17为突加突卸80%负载时的输出电流和输出电压波形图：图16图17图18突加突卸80%的仿真图4.结语通过本次开关电源设计，基本掌握了Buck电路的知识，以及学会了使用Psim仿真软件和Matlab。

通过自己的思考以及和同学的探讨，终于可以完成这项十分考验知识水平和个人能力的任务。

这让我充分认识到了自主学习的重要性，以及自己知识储备不足，我会在日后的学习生活中加强综合训练。

参考文献[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002:258～263.[2]许泽刚，李俊生，郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践[J].电气电子教学学报.2008[3]张占松，张心益.开关电源技术教程：机械工业出版社2012.8。