基于multisim控制方式的开关电源仿真研究山东科技大学电气与自动化工程学院姓名：李强学号：150831018目录一绪论 (1)二实验目的 (1)三实验要求 (1)四主电路功率的设计 (1)（1）buck 电路 (1)（2）用Multisim软件参数扫描法计算 (2)(3) 交流小信号模型中电路参数的计算 (4)（4）采用小信号模型分析 (4)五补偿网络的设计 (5)六总电路图的设计 (7)（1）总电路图的设计图 (9)（2）总电路的仿真图 (10)七心得体会 (11)八参考文献 (11)一绪论Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，现以Buck变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路二实验目的(1)了解Buck变换器基本结构及工作原理；(2) 掌握电路器件选择和参数的计算；(3) 学会使用Multisim仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真;(4) 学会使用Multisim仿真软件对控制环节的仿真技术;(5)学会分析系统的静态稳压精度和动态响应速度.三实验要求输入直流电压(V IN)：15V；输出电压(V O)：5V；输出电流(I N)：1A；输出电压纹波(V rr)：50mV；基准电压(V ref)：1.5V；开关频率(f s)：100kHz。
四主电路功率的设计（1）buck 电路图4-1-1：Q1buck 电路 图4-1-1rr rrC L N0.2V V R i I ==∆=250m Ω（出于实际考虑选择250m Ω） c*Rc 的乘积趋于常数50~80uF ，我使用62.5μΩ*F ，由式(1)可得R C =250mohm ，C =250μF （出于实际考虑取250μF ）开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如下式所示：IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=∆O L D L OFF /V V V L i T ++=∆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 ，开关管导通压降V ON =0.5V 。
经计算得 L=87.66uH 。
（注：在实际电路中，取L=88μH ） （2）用Multisim 软件参数扫描法计算：当L=70uH 时，输出电压纹波4-2-1当L=80uH 时，输出电压纹波如图4-2-2如图4-2-2当L=87.66uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-1图4-2-1当L=90uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-3图4-2-3(3)交流小信号模型中电路参数的计算如下：占空比： gV V D =直流增益： g d V DVG ==0，00lg 20d dBd G G =双重极点频率： LCf p p ππω21200==品质因数： ==LCRQ 0，00lg 20Q Q dB=在具有双重极点的传递函数中，频率特性在极点频率附近变化非常剧烈，其中相频特性变化非常剧烈段的起始频率f a 和终止频率f b ，由下可以确定：02/1010p Q a f f -=02/1010p Q b f f =（4）采用小信号模型分析经分析得Buck 变换器原始回路增益函数G O (s)为：()LCs RL s sCR V s H V s G C IN mO 211)(1)(+++∙∙=＝286610196.210532.171)105.621(153.05.11s s s ---⨯+⨯+⨯+⨯⨯ ＝286610196.210532.171105.1873ss s ---⨯+⨯+⨯+假设PWM 锯齿波幅值V m ＝1.5V ，R X ＝3Ωk ，R y ＝1.3Ωk ，由此可得采样网络传递函数)(s H =0.3，原始回路直流增益)(s Ao ＝3。
双重极点频率:LCf P P ⨯⨯=⨯=14.32114.3200ω=1.076kHz用matlab 画出的G0（s ）的伯德图：程序：num=[0.000225 3];den=[0.000000053 0.000034994 1]; [mag1,phase1,w1]=bode(num,den); margin(mag,phase,w)-60-40-2002040M a g n i t u d e (d B )101010101010-180-135-90-45045P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf , P m = 40.3 deg (at 1.49e+003 Hz)Frequency (Hz)如图所得，该系统相位裕度 40.3度，穿越频率为1.49e+003Hz,所以该传递函数稳定性和快速性均不好。
需要加入补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度。
使其快速性和稳定性增加。
五 补偿网络的设计设计步骤步骤1 本设计采用的PD 补偿网络进行设计，PD 补偿网络的电路图如图5所示PD 补偿网络其传递函数为：()PZC C ssG s G ωω++∙=110 ，P C Z ωωω<< （5）0210R R R G C +-= ,131C R P ∙=ω ,()1321//1C R R R Z +=ω（6）步骤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f c 是开关频率f s 的五分之一,即f c =f s /5=20 KHz设相位裕度︒=52m ϕ。
PD 补偿网络的零、极点频率计算公式为：KHz f f KHz f f m m cp m m c z 5852sin 152sin 120sin 1sin 18.652sin 152sin 120sin 1sin 1=-+⨯=-+==+-⨯=+-=︒︒︒︒ϕϕϕϕ（7）由式（6）可得：Kf Kf P P Z Z 4.36428.422====πωπω (8)PD 补偿网络直流增益为：79588.63176020120200=⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=∙⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=K f f Af f G P Z p c c （9）由式（7）、（8），可得PD 补偿网络的传递函数G C (s)为：()s s s ss G C 65331074.211034.2179104.3641108.42179--⨯+⨯+⨯=⨯+⨯+⨯=（10） 根据上面计算，可绘出PD 补偿网络传递函数G C (s)的波特图如图6所示， 整个系统的传递函数为：()()()()()()ss s s s s G s G s G C 682636501074.2110196.210532.17110125105001)1034.21(379------⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯== （11） 其波特图如下图所示由Matlab 绘制的波特图可知，︒==5.52,9.19m c KHz f ϕ,满足设计要求。
图1 PD 补偿网络开环传递函数波特图图2 系统总回路传递函数波特图步骤3 补偿网络电路中的参数计算 由式（6）的三个计算公式可得：()KC R R R K C R R R R 8.42//14.364179132113021=+=∙=+设R 1=R 2=30K ，由上式可得：R 0=0.76K ，R 3=2K ，C 1=1.37nF （注:在实际电路中，取：R 0=0.8K ，R 3=2K ，C 1=1.5nF ） 由于，有20%~100%的负载扰动，Ω=Ω==ΩΩ==25.65//25252.052.0%20n n N R R R AVA I六总电路图的设计（1）总电路图的设计图6-1-1图6-1-1（2）总电路的仿真图图6-1-2（3）输出电压纹波由图可见，加入补偿网络后，输出电压稳定在5V左右。
总电路图设计采用Multisim软件。
Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
七心得体会本文以Buck变换器为研究对象，学习了PD补偿网络在恒压原单环控制中的应用特点，关注了稳态误差、瞬态响应和高频干扰抑制能力。
通过理论的研究和公式推导设计出了PD控制小信号模型和传递函数，并且设计出了具体的电路的参数，以及对设计的电路进行了仿真。
通过这次设计主要取得了如下成果：掌握了一定的电力电子建模知识、开关变换器的建模知识；对PD 控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识；熟练运用Multisim，Matlab等仿真软件；对开关电源的用途、现状与发展有了新的体会。
八参考文献[1] 张建生主编.《现代仪器电源》[M] .北京：科学出版社2005：1-26.[2] 王兆安，黄俊主编.《电力电子技术》[M] .北京：机械工业出版社，2000：94-96.[3] 陈丽兰主编.《自动控制原理》[M] .北京：电子工业出版社，2006：73-74.[4] 张卫平主编.《开关变换器的建模与控制》[M] .北京：中国电力出版社，2005：134-141.[5] 徐德鸿译.《电力电子系统建模及控制》[M] .北京：机械工业出版社，2005：174-180.[6] 张晋格主编.《控制系统CAD》[M] .北京：机械工业出版社，2004：128-134.。