Matlab-DC-DC转换器建模

西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics主讲教师：吴晓鹏DC/DC转换器系统建模西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics背景知识系统模型搭建仿真分析目录工作原理西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics背景知识一目录西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics背景知识任何电子设备都离不开可靠的电源，开关电源因其体积小、重量轻、效率高、功耗低、稳定性好等优点，逐渐取代了传统的连续控制线性电源系统，被广泛地应用于电子产品中。开关电源是相对线性电源而言的，它利用高频振荡电路将输入端的交流电直接整流成直流电，通过控制开关管的导通和关断，形成高频脉冲电流，在电感或高频变压器作用下，为输出端提供稳定的直流电流。合理控制开关管的导通和关断时间比率，就能维持输出电压的稳定性。西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics不同电子设备对电源参数的不同要求可以通过对供电线路的电能进行转换来达到。这些转换包括：从交流到直流，即整流；从直流到交流，即逆变；从交流到交流，即变压；从直流到直流。背景知识本节讨论内容西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics背景知识开关转换电路——利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路。开关电源——转变时利用自动控制闭环稳定输出并有保护环节。DC/DC转换——将一个不受控制的输入直流电压转换成为另一个受控的输出直流电压。实现DC/DC转换有两种模式：线性调节模式（LinearRegulator）开关调节模式（SwitchingRegulator）西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics背景知识DC/DC转换器的分类按激励方式分：它激式、自激式按调制方式分：脉宽调制（PWM）、频率调制（PFM）、混合式。按储能电感与负载连接方式分：串联型、并联型。按输入输出电压大小划分：降压型（Buck）、升压型（Boost）。其他类型还有Buck-Boost转换器、Cuk转换器、Zeta转换器、Sepic转换器等等......西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics背景知识DC/DC转换器的主要技术指标从使用角度出发，对DC-DC转换器的要求是：高的可靠性；好的维修性；小的体积重量；低的价格等。从技术角度出发，DC-DC转换器的主要技术指标有：1）输入参数：√输入电压及输入电压变化范围√输入电流及输入电流变化范围2）输出参数：√输出电压及输出电压变化范围√输出电流及输出电流变化范围√输出电压稳压精度√效率√输出电压纹波有效值和峰峰值西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics二工作原理目录西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理电压转换器的分类1、线性电压转换器LinininLLinoutRRVRRRVV11线性电压转换器设计的关键之处是在最小压降时，转换器仍能正常工作，且功耗尽可能少、效率尽可能高、同时必须稳定。LDO(LowDropoutVoltage)线性电压转换器是其中的代表之一。恒流源基本结构西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理电压转换器的分类1、线性电压转换器VoutR1R2VPPMOSPassElementGErrorAmplifierVerrVrefRload当负载或输出电流变化时，通过采样电阻R1，R2得到一个输出反馈电压VP，VP与基准电压Vref进行比较，比较器的输出信号控制调整管的工作点，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定的值。适用于低压场合西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理电压转换器的分类2、开关转换器开关S闭合，直流电压Ud加到负载R，并流过电流i0；开关S断开，负载R上电流电压为0。若开关S闭合ton秒，再断开toff秒，且重复该过程即可得到方波负载电压和电流。西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理电压转换器的分类2、开关转换器假设开关周期为T，则T=ton+toff，开关频率为f=1/T，占空比为D=ton/T则toff=(1-D)T，且T=DT+(1-D)T。由此推导输出电压平均值为：dondondtototoToOUDtfUtTUdtuTdtuTdtuTdtuTUonoffon00001111西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理电压转换器的分类2、开关转换器开关电源转换器利用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比从而调整输出电压。反馈回路检测输出电压，并与基准电压相比较，其误差电压通过误差放大器放大，放大后的电压控制脉宽调制电路，产生占空比变化的周期信号，进而控制半导体开关的通断时间，调整输出电压的大小。西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理BuckDC/DC转换器BuckDC/DC转换器原理图及不同开关状态下的等效电路西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理BuckDC/DC转换器T导通等效电路USiSiLuoioRLCTD电感电压UL=US–Uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性增长，电感储能增加电源能量向电感、负载传递西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理BuckDC/DC转换器T断开等效电路（iL0)DUSiSiLuoioRLCT电感电压UL=–Uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性下降，电感储能减少电感储能向电容、负载转移西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理BuckDC/DC转换器T断开等效电路（iL=0)iLDUSiSuoioRLCT电感电压UL=0，电容向负载供电电容储能向负载转移T一周期中导通时间愈长，向电感转移的能量愈多，向负载转移的能量也愈多，即输出电压愈高控制开关管导通占空比可控制输出电压西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics工作原理BoostDC/DC转换器工作原理：开关管导通时，UL=US，电感电流线性增加，电感储能增大，电源向电感转移电能。此时二极管反接，因此电容不能通过开关放电，只能对负载放电。开关管断开时，电感中磁场将改变电压极性以保持电感电流不突变，所以UL与US串联同时向负载供电，此时输出电压UO高于输入电压，实现Boost的功能。USUO西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics三系统模型搭建目录西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics状态空间法概述BoostDC/DC状态空间模型BoostDC/DC的Simpower模型三、系统模型搭建BuckDC/DC状态空间模型BoostDC/DC传输函数模型5西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics状态空间法概述系统模型搭建状态空间是控制工程中的一个名词。状态是指在系统中决定系统状态的最小数目的变量的有序集合。而所谓状态空间则是指该系统的全部可能状态的集合。简单来说，状态空间可以视为一个以状态变数为座标轴的空间，因此系统的状态可以表示为此空间中的一个向量。状态空间表示法即为一种将物理系统表示为一组输入、输出及状态的数学模式，而输入、输出及状态之间的关系可用许多一阶微分方程来描述。西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics系统模型搭建用x表示系统的状态向量,用u和y分别表示系统的输入向量和输出向量，则系统的状态方程和量测方程(输出方程)可表示为如下的一般形式：x'=f(x，u，t)，　y=g(x，u，t)式中,f(x，u，t)和g(x，u，t)为自变量x、u、t的非线性向量函数,t为时间变量。状态空间法概述对于线性定常系统状态方程和量测方程具有较为简单的形式：x'=Ax+Bu，　y=Cx+Du式中A为系统矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵,D为直接传递矩阵，它们是由系统的结构和参数所定出的常数矩阵。在状态空间法中，控制系统的分析问题常归结为求解系统的状态方程和研究状态方程解的性质。这种分析是在状态空间中进行的。所谓状态空间就是以状态变量为坐标轴所构成的一个多维空间。西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics状态空间法概述系统模型搭建状态空间平均法是平均法的一阶近似，它实质上是根据线性RLC元件、独立电源和周期性开关组成的原始网络，以电容电压和电感电流为状态变量，按照功率开关器件“导通”和“断开”两种状态，利用时间平均得到一个周期内平均状态变量，将一个非线性、时变、开关电路转换成一个等效的线性、时不变、连续电路，因而可决定其小信号传递函数，建立状态空间平均模型。西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics状态空间法概述系统模型搭建利用状态空间平均法对系统进行建模时须满足以下三个假设条件：1）交流小信号频率远远小于开关频率（即低频假设）；2）转换器的转折频率远远小于开关频率（即小纹波假设）；3）电路中个交流分量的幅值必须远远小于相应的直流分量（即小信号假设）。在实际DC/DC转换器中，开关频率较高，很容易满足低频假设、小纹波假设和小信号假设。因此可以采用状态空间平均法对DC/DC转换器进行建模。西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics系统模型搭建BuckDC/DC状态空间模型T导通等效电路USiSiLuoioRLCTDT断开等效电路（iL0)DUSiSiLuoioRLCTSOLOLuLuiRCCLuidtd011110SOLOLuuiRCCLuidtd001110西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversitySchoolofMicroelectronics系统模型搭建BuckDC/DC状态空间模型SOLOLuLDuiRCCLuidtd01110对以上两式在一个开关周期内用状态空间平均法可以得到关于输出电压和开关频率的非线性状态方程：其中，uO为输出电压，D为占空比，iL为电感电流，uS为输入电压。OLOSOLuRCiCdtduuLDuLdtdi111西安电子科技大学微电子学院XiDianUniversityScho