BOOST電路設計及matlab仿真.doc

Boost升壓電路及MATLAB仿真一、 設計要求1.輸入電壓（VIN）:12V2.輸出電壓（VO）：18V3.輸出電流（IN）:5A4.電壓紋波：0.1V5.開關頻率設置為50KHz需設計一個閉環(huán)控制電路，輸入電壓在1014V或負載電流在25A范圍變化時，穩(wěn)態(tài)輸出能夠保持在18V 。根據設計要求很顯然是要設計一個升壓電路即Boost電路。Boost電路又稱為升壓型電路,是一種開關直流升壓電路，它可以是輸出電壓比輸入電壓高。其工作過程包括電路啟動時的瞬態(tài)工作過程和電路穩(wěn)定后的穩(wěn)態(tài)工作過程。二、主電路設計圖1主電路2.1 Boost電路的工作原理Boost升壓電路電感的作用：是將電能和磁場能相互轉換的能量轉換器件，當MOS開關管閉合后，電感將電能轉換為磁場能儲存起來，當MOS斷開后電感將儲存的磁場能轉換為電場能，且這個能量在和輸入電源電壓疊加后通過二極管和電容的濾波后得到平滑的直流 電壓提供給負載，由于這個電壓是輸入電源電壓和電感的磁場能轉換為電能的疊加后形成的，所以輸出電壓高于輸入電壓，既升壓過程的完成。Boost升壓電路的肖特基二極管主要起隔離作用，即在MOS開關管閉合時，肖特基二極管的正極電壓比負極的電壓低，此時二極管反向截止，使此電感的儲能過程不影響輸出端電容對負載的正常供電；因在MOS管斷開時，兩種疊加后的能量通過二極向負載供電，此時二極管正向導通，要求其正向壓降越小越好，盡量使更多的能量供給到負載端。閉合開關會引起通過電感的電流增加。打開開關會促使電流通過二極管流向輸出 電容因儲存來自電感的電流，多個開關周期以后輸出電容的電壓升高，結果輸出電壓高于輸入電壓。接下來分兩部分對Boost電路作具體介紹即充電過程和放電過程。充電過程在充電過程中，開關閉合（三極管導通），等效電路如圖二，開關（三極管）處用導線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。圖2 充電原理圖放電過程如圖，這是當開關斷開（三極管截止）時的等效電路。當開關斷開（三極管截止）時，由于電感的電流保 持特性，流經電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電 容兩端電壓升高，此時電壓已經高于輸入電壓了。升壓完畢。圖3 放電原理圖參數計算1. 占空比計算由上圖1、圖2可知電感電流連續(xù)時，根據開通和關斷期間儲能和釋能相等的原理可得： 其中為占空比，有(1)，(2)式可得故有，可得占空比為33.3%即為所求。2. 電感的設計開關管閉合與開通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程如下所示: 由上式可得： 此時二極管的導通電壓降為 ，,開關導通壓降為，利用，經計算得： 。3. 紋波電容的計算由公式，帶入數值得4. 負載電阻計算由于輸出的電壓為18V，要輸出的電流為5A。由歐姆定律可得負載的電阻值為3.6歐姆即可滿足設計要求。三、電路設計與仿真3.1 開環(huán)boost電路仿真圖4 開環(huán)電路圖電壓、電流的仿真結果如下圖。圖5 開環(huán)Boost電路仿真結果3.2閉環(huán)Boost電路仿真3.2.1主傳遞函數計算 由題目已知其占空比是恒定的，僅考慮輸入電壓波動時?？捎晒?5)得到傳遞函數。帶入數據得：只需在前面的開環(huán)電路中加入傳遞函數即可，如下所示。圖6 閉環(huán)電路圖由傳遞函數得其bode圖如下：圖7 傳遞函數bode圖利用matlab仿真得其幅值裕量和相位裕量。圖8 幅值裕量和相位裕量可見該傳遞函數是一個非最小相位系統(tǒng)，其波特圖如圖8所示。電路的幅值裕度：GM=-28.6dB，相位裕度：PM=-76.9deg，其穩(wěn)定判據顯示系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.2.2 PI控制器校正分析經過之前分析，原系統(tǒng)不穩(wěn)定，原因是原始回路中頻以-40dB/dec的斜率穿越0dB線，此時對應最小相位系統(tǒng)相頻圖中相移為-180度，-20dB/dec對應-90度，所以應使校正后的系統(tǒng)以-20dB/dec的斜率穿越0dB線，這樣就會有較好的相位穩(wěn)定性。為使系統(tǒng)無靜態(tài)誤差，采用PI校正（K(s+1)/(s)），這時即使比例系數較小，由于積分項的作用，仍能夠消除靜態(tài)誤差。應該使PI調節(jié)器的零點頻率明顯低1/原系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數極點頻率0，使得校正后的開環(huán)傳遞函數在相移1800時的頻率不至于有太大的降低，否則截止頻率將會更低。據此可選PI調節(jié)器的零點頻率1/=0.50，即=1/(0.50) (6)PI調節(jié)器的零點頻率確定以后，改變PI調節(jié)器的比例系數K 即可改變校正后的開環(huán)傳遞函數的截止頻率和相位穩(wěn)定裕量。由圖1中的幅頻特性可知，原系統(tǒng)在極點頻率處有約40db的諧振峰值，因此設計PI比例系數時必須考慮這個因數，否則可能在0附近由于開環(huán)增益大于零而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。PI調節(jié)器的增益為-40db時對應的頻率為，且處于PI調節(jié)器幅頻特性的-20db/dec段，則有20lg(K/()+ A0=0，A0為原系統(tǒng)開環(huán)特性的諧振峰值（db）。取為PI調節(jié)器零點頻率的一半，即=0.5/，則有 K=10-A0/20=0.5*10-A0/20 (7)據此可計算得到=1/（0.5*1000）=0.002，K=0.5*10-40/20=0.005。由此得到的PI調節(jié)器的波特圖、系統(tǒng)校正后的開環(huán)傳遞函數為，校正后得到如下bode圖。圖9 校正后的bode圖對比根據校正后的圖像可知其幅值裕量和相位裕量都為正值則可以判斷該系統(tǒng)穩(wěn)定。四、仿真結果最終的仿真結果為：圖10電壓圖圖11電流圖結果分析：在實驗過程中我首先做了開環(huán)Boost電路的方針得到的實驗結果如圖所示，但改變輸入電壓的大小時，由于沒有引入反饋環(huán)節(jié)電壓不可能穩(wěn)定在某一特定值。接著加入的反饋環(huán)節(jié)當輸入電壓的大小改變時輸出電壓會發(fā)生改變，通過與反饋環(huán)節(jié)中設定的18V進行比較通過傳遞函數來調節(jié)占空比直到使輸出電壓穩(wěn)定在18V，則由于反饋輸入為0占空比保持不變，這樣輸出電壓會穩(wěn)定在所設計的值18V。通過實驗改變電壓的大小即1014V的范圍內，都能得到最終的輸出電壓大小為18，顯然所得電路是符合設計要求的，同理最終所得的電流為5A。綜上所述所得的結果符合設計要求。部分程序: num=-5.4e-3,108; den=5.4e-8,2e-4,4; G=tf(num,den); margin(G)w=-8*pi:0.01:8*pi;b=-5.4e-3,108;a=5.4e-8,2e-4,4;sys=tf(b,a);bode(sys);hold on;c=1e-5,5e-3;d=2e-3,0;sys1=tf(c,d);bode(sys1)grid on;hold on;x2=conv(-5.4e-3,108,1e-5,5e-3);y2=conv(5.4e-8,2e-4,4,2e-3,0);margin(x2,y2);