saber仿真报告汇总

Saber仿真作业-Buck变换器的仿真设计2、Buck变换器设计性能指标输入电压：Vin=30~60VDC(额左48V)输出性能：Vout=24VDCVout(p-p)V25mVlout=2Alout=0.1A时，电感电流临界连续其他性能：开关频率200kHz2、Buck变换器主电路设计2.1占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围：DmaX=Uo/Uimin=24/30=0-8Dmin=Uo/Uimax=24/60=0.4Drated=Uo/Urated=24/48=0.52.2滤波电感Lf、滤波电容Cf设计⑴滤波电感Lf计算U[D(1-D)_U(;TQ_D)_24x0.6乙叫11_2x0.1x200x103⑵滤波电容Cf在开关变换器中，滤波电感值是根据输出电压的纹波要求来选取的。根据设计要求，Vout(p-p)v25rnVC二4(1-Q)24x0.6=5x10-6F=5WF丁一一8x360x10"x(200x10'')x25x10"选择滤波电容值为10uF3、Buck变换器闭环控制参数设计闭环控制原理：为了使变换器的输出电压稳左达到所要求的性能指标，需要对变换器进行闭环控制，其工作原理为：输出电压采样与基准电任进行比较产生误差信号，再将误差信号送至补偿网络(补偿网络的作用：1、对误差信号进行反向放大，为PWM比较器提供一个控制信号PWMVc“、2对系统进行适当的幅度和相位补偿）。将补偿网络得到的控制信号与进行比较产生脉宽调制波，控制Q的通断。开关变换器图3.1具有反馈环的Buck变换器系统结构示意图4、Buck变换器的闭环电路参数设计4.1Gvd(s)的传递函数分析在CCM情况下，占空比D到输出电压的小信号传递函数为:\+sReLfi+s/Qa八+S2/小_I厂珂［菩+(&+&JxC昇该Buck变换器的输入电压为30-60V(额龙输入为48V),输出电压为24V，输出电流为2A,Lf=360uH,Cf=10uF»取RL=5mCl/?c=20///Q.用Mathcad画出Gvd(s)的幅频特性曲线及相频特性曲线,如图4.1、图4-2所示。Gvd(s飓频特性曲线1101001X1051X1011X1051X106-40f图4-lGvd(s)幅频特性曲线从图4.1可以求得，Gvd(s)的低频增益为39.913dB,谐振频率fr=2・48kHz,截止频率fc=21・96kHz,并且斜率为-40dB/DecGvd@)相频特性曲线图4.2Gvd(s)相频特性曲线从图4.2中可求得，其相角裕度为30度。相角裕度要进行适当补偿。4.2补偿环节Gc(s)的设计选择双零三极补偿确定环路增益的截止频率fc为了使系统响应速度较快，那么fc越大越好；为了抑制开关频率干扰，fc越小越好。因此通常去fc=(l/4~l/6)fso这里去fc=l/5fs=40kHzo由|Gvd(40kHz)|=0.438得：IG")H(£)I/Vm=1/1Gvd(fc)\=1/0.438=2.283若参考电压Vref=5V，则H(s)=5/24:又取Vm=3V那么：IG「()1=2.283匕/H(fc)=2.283x3/(5/24)=32.88环路增益低频段要有高增益由Gvd(s)的幅频特性曲线可知，任低频段增益较低，因此要通过补偿电路提供积分环节。环路增益高频段迅速衰减通过补偿电路增加两个极点，一个用来消除ESR所引起的零点的麒向，另一个用来使高频段以-40dB/Dec的斜率衰减。环路增益要有足够的相角裕度通过补偿电路增加2个零点，对二阶箴荡环节的相位进行补偿，从而获得足够的相角裕度。综上所述，补偿电路采用双零双极和积分环节的电路。Rf2Rfl图4.3补偿电路图G(“_K(1+$/冬J(1+s/Q2)"s(l+s/a)pl)(l+s/a)p2)11中KM(g+cjCD.i=93j=ziR}C2-Cg+RJ1co.=p2g_R\C\+c24.3补偿环节参数设计环路增益T(s)=Gc(s)Gvd(s)H(s)/Vm/且要保证其截止频率fc=40kH乙并且满足T(s)性能要求,令"!二哄2=S,%=%二沽一’％T其中，Q为截止角频率，0.=2叭,根据|Gc(fc)1=32.88得，K=3.875xl04a因此,由下而的方程接触参数:R3(C]+C2)=l/K=2・5xlO'5R,C2=(R2+R3)C3=1/a=6x10'5R2C3=2xlO-7R晟=7“取R,=15g则解得各参数如下：R2=5O^67C,尺=36.44kC,G=20・14〃F,C2=1.647nF,C3=3.987hF取参数为:R2=50Q,R、=36RG,C]=20〃F,C2=\6nF>C3=4nF从图4.3、图4.4的环路增益特性曲线可知：满足T(s)在低频段有高增益，在截止频率处斜率为20dB/Dec,在高频段以-40dB/Dec的斜率衰减，同时相角裕度为130度。5、BUCK变换器理想模型闭环仿真UjniEal：0p。慎M图5.1BUCK变换器仿其原理图理想模型闭环仿其结果：Grap110图5-2输入电压波形图GraphOGO.On(V):t(g)vout40.0-Ave:24.00Mnimum.:2眼920.0-Maximum;24.011PK2PK:0.02070.0-0.02.0rn4.0rnG.Ornt(s)8.0rn10.0m图5.3输出电压波形图GraphO(A):t(s)4.0ni(m)3.0-g2.0-Ave:2.0Minimum:1.9992Maximum;2.0009PK2PK:0.0017261.0-0.0-0.02.0rn4.0m6.0m80m10.0mt(s)图5.5输出电流波形图由图5-2~5・5可知当输入为额定值48V时，输出为24V,且输出纹波值＜20mV,输出电流值为2A,满足设计要求。6、BUCK电路实际器件选取6.1滤波电感的选取由于Lf的电流是单向流动的，具有较大的直流激磁分量，再叠加一较小的交流磁化分量，故工作于第三类工作状态。因此磁芯最大工作磁密可以选的很高，接近于饱和磁密。由于Lf的正常工作时电流最大值为2.2A,故选能承受2.2A电流的电感，并且电感寄生电阻为5mQo6.2滤波电容的选取根据仿真结果可知，由于变换器初始化时电容有一个过冲电压，故电容选择为50V耐压。并且电容的寄生电阻为20m0，选10UF/50V电容。6.3续流二极管的选取续流二极管所承受的最大反向电压为60V,lo=2A时，其有效值为1.414A,考虑到一定的裕蚩:，选取120V/3A二极管dln5418o6.4开关管的选取由于电路输入电压最大值为60V,则开关管的耐压值应大于60V,又由于变换器开关频率为200kHz，因此开关管选用额左值为150V/5A的irf221型MOSFET。7、BUCK变换器实际模型闭环仿真分析5m60U8L1kvde图74BUCK变换器实际模型原理图Graphl60Q(V):t(s)n11Minimum:23.992Maximum:24.00640.0-200-Ave:23.999PK2PK:0.014380.0-0.02.0rn4.0m6.0m8.0m10.0m图7.2实际器件输出电压图Graph2(A):t(s)4.0-0,0-Ave:1.9999Minimum:1.9993PK2PK:0.001198Maximurn:2,00051.0-2.0m40m6.Ora8.0m0.010.0mt(s)图7-3实际器件输出电流图根据图7.2可得，输出平均值24V,输出咐牟值为0.014V<0.025V满足要求。根据图7.3可得，输出平均电流为2A,输出电流峰峰值为1mA,满足要求。8、BUCK变换器小信号分析图84amptude：iIrequercyso5mWVdutymax0.8c础Eirrlcnlrax2，'广(罚”'UsFBuckCVMBUCK电路小信号模型QrctphG(dBV):f(Hz)X053m小信号分析采用BUCK平均模型，设讣参数见图。反馈接一跟随器主要是考虑消除补偿电路对电阻分压反馈产生的影响。另外，在补偿环节后有一反向器，其主要功能为的到补偿后波特图（因直接接补偿环节输出相位图会产生180度相移）。图&2BUCK电路小信号分析频域图根据图82可知，所设计补偿环节改善了原变换器的性能，满足了预设的性能要求。在低频段有高增益，任截I匕频率处斜率为-20dB/Dec,在高频段以-40dB/Dec的斜率衰减，且相角裕度为74度。