基于PSPICE的BUCKConverter反馈环路仿真

基于PSPICE的BUCKConverter反馈环路仿真

基于PSPICE的BUCK Converter反馈环路设计及仿真

付洪

1：引言：

利用计算机辅助技术设计电力电子，可以提高设计效率。本文主要介绍buck converter的反馈环路仿真。

2：索引

I ：Buck 线路L C 滤波设计

II：反馈环路设计

III：PSPICE仿真

IV：调试中遇到的问题及解决办法

3：Buck 线路L C 滤波设计

在设计滤波电感与电容之前，先假定BUCK Converter基本输入输出特性：Vin ――――― 20V

Vout ――――― 5V

Fsw ――――― 25Khz

Io ―――――― 5A

Imin ―――――― 1A

由于除反激架构外的其它拓扑，变压器输出均为方波信号，根据平均值算法得到公式：Vin*Ton/T=Vo ――（1）

根据V=L*dI/dT 当Ton阶段VL＝Vin－Vout ――（2）（理论依据KVL）

对于此类输出滤波器的拓扑，电感选择应保证直流输出电流在满载的十分之一时，电感电流也要保持连续，直流电流等于电感电流PEAK-PEAK值一半的时候对应临界模式。(Ip2-Ip1)/2=1/10*Io ――（3）

根据2式推出Lo=VL*Ton/0.2*Io 将（1）带入

Lo＝5（Vin－Vout）VoutT/Vin*Io Lo=150uH

电容的等效模型内包括ESR 与ESL , ESL在500KHZ以上才会有影响，这里可以忽略，假定纹波全由ESR产生。设定电阻性纹波为0.05V,

0.05=DeltaI*ESR, DeltaI=1A, ESR=0.05ohm

根据电容的RoCo乘积近似为常数，这里取RoCo＝65*10^-6 Co=1300uF 4：反馈环路的稳定性设计：

要使得一个反馈环路稳定，必须具备以下以下2个条件：

1：提供所需的相位裕量，通常规定为45度。

2：开环增益在剪切频率附近，斜率应该为－1

3: 使系统总开环增益在剪切频率Fco处为0.

5：LC滤波器（C带ESR）的幅频曲线。

Fcnr=1/2∏LoCo在大于Fcnr的较低频率处，Co的阻抗（1/jwC）远大

于Resr，在这个范围内，增益是以－2的斜率下降。在较高的频率处Co的阻抗远低于等效阻抗的时候，谐振频率变为Fesr＝1/2∏Resr*Co ,此时电路为LR电路，而非LC电路，增益以-1的斜率下降。

6：PWM调制器的增益

如图所示，从误差放大器的输出端Vea到电感的输入电压V1处的增益称为调制器的增益，用Gpwm表示。

当Vea移动到3V三角波的顶部时候，ton/T=1 ，Vea与V1之间的电压增益Gpwm为Gpwm＝（Vo）/3.

由于采样网络的存在，所以在R1,R2处也存在衰减，我们常用Gs表示，因为R1=R2,Gs＝20log（2.5V/5V）=-6dB.

7: 2型误差放大器的buck反馈系统的设计。

I：输出LC滤波器的转折频率为：

Fo=1/2∏LoCo=403Hz

II: ESR零点处的频率

Fes r=1/2∏Resr*Co=2.5KHz

III:调制器增益Gpwm＝5/3=1.67dB

IV:除了误差放大器以外的开环增益为：G=(Glc+Gpwm+Gs)，其中Gpwm+Gs＝－4.33dB . 如下图所示：

从A点到转折频率B(403Hz)，增益为－4.33dB,B-C 曲线的斜率为－2，C-D 曲线的斜率变成－1.

选取开关频率的的1/5为Fco，即5Khz，在此频率处的增益为－28Db, 要使5KHz为截至频率，所以误差放大器在这一频率下所对应的增益应为+28Db, 在5KHz处的斜率为－1，所以曲线EFGH F-G点的曲线斜率必须为0.

2型误差放大器的水平部分的增益为R7/R5，如果取R7=1K,那么R5=100K

假定相位裕量为45度，那么在5KHz的频率下，系统总开环相位滞后为315度。

LC滤波器自身引起的相位滞后如下表：

Fco/Fesro=5000/2500=2 此处的相位滞后为116度，因此，误差放大器只允许有365－45－116＝204度的相位滞后。如下表所示，当K值略小于5时，误差放大器可以

满足204度的相位要求。

当K＝5时，零点频率Fz＝5000/5=1000Hz, Fz=1/2piR5C2, R5=100K, 因此C2=0.016nF; 极点频率Fp=5000*5=25KHz, Fp=1/2piR2C3,因此C3=65pF; 在此需指出，相位裕量越大，系统环路就越稳定。

8：根据以上所得参数，在PSPICE中绘制此反馈环路，具体电路如下图所示

观察输出电压及其纹波：

纹波控制在0.1V;并且不存在低频振荡，说明此系统相对比较稳定。

控制波形（驱动，参考，Vea ）

Green:驱动BLUE:三角波RED:Vea差分信号。YELLOW：输出电压9：调试中出现的问题

系统提示too small for ISWITCH

经查为ABSTOL这个参数的问题

因为324里面的ion和ioff是uA

所以我们这一块应该比他小

IC就是指初始条件

电容就是初始电压电感就是初始电流什么时候要设定SKIPBP呢？

设了这个就不用设初始条件了

相当于默认所有的初始条件为0

最后仿真设定为：