基于PWM控制BOOST变换器设计

一、实验目的

1) 熟悉BOOST变换电路工作原理，探究PID闭环调压系统设计方法。
2) 熟悉专用PWM控制芯片工作原理。
3) 探究由运放构成的PID闭环控制电路调节规律，并分析系统稳定性。

二、实验内容

设计基于PWM控制的BOOST变换器，指标参数如下：

1. 输入电压：9V～16V；
2. 输出电压：24V，纹波<1%；
3. 输出功率：20W；
4. 开关频率：40kHz；
5. 具有过流、短路保护和过压保护功能，并设计报警电路；
6. 具有软启动功能；
7. 进行Boost变换电路的设计、仿真与电路调试。

三、实验仪器设备

1) 示波器 2) 稳压电源 3) 电烙铁 4) 计算机 5) 万用表

四、研究内容

（一）方案设计

1. 电路原理

整个基于PWM控制的BOOST变换器包括PWM发生电路、加法电路、驱动电路、主电路(BOOST)、反馈电路、保护电路六个部分。

① PWM 发生电路的核心是SG3525 芯片，可以使用该芯片得到特定占空比的PWM 波。加法电路将SG3525的两个互补输出叠加而成。

② MOSFET 驱动电路采用两个晶体管连接成的推挽输出，该推挽电路将PWM 的低电压拉低以确MOSFET 的可靠关断。

③ 主电路即BOOST电路。

④ 反馈电路在SG3525 的引脚9 和引脚1 进行PI 调节，使该闭环系统更加稳定和迅速。

⑤ 保护电路主要实现过压保护，利用SG3525 的外部关断信号输入端引脚10(Shutdown)，该端接高电平时控制器输出被禁止。

图1 整体电路原理

图2 电路原理图

1. 电路参数计算和器件参数选择

① 电感计算：忽略电路损耗，工作在CCM 状态，按照电路知识有

② 电容计算：输出电压纹波小于1%

③ 功率开关管：主要参数是功率开关管漏源电流

④ 二极管

⑤ 3525开关频率计算：在3525的PIN5、6、7引脚接入CT、RT、RD。

⑥ PI参数计算：在3525的PIN1、2、9引脚接入响应的PI电压调节环节。

⑦ 软启动：在3525的PIN8引脚接入1μF。

（二）系统仿真验证(含仿真模型、仿真结果与结果分析)

开环闭环仿真在Simulink上搭建仿真模型，开环时使用Pulse Generator模拟SG3525产生PWM波驱动N沟道MOSFET，输入电压为10V时(R=450Ω，实际为500Ω与3500Ω并联等效电阻约为450Ω)，手动调节占空比为34%，得到输出电压为24.39V。当输入电压改变时，如不调节PWM波占空比，输出电压将稳定在不同的值。

测试中还发现，R阻值对输出电压有较大影响，R较小时，输出电压一开始跳动剧烈，最终稳定值越接近理论公式计算结果，R较大时，超调量和峰值减小，但最终稳定值与理论公式相差较大。

图3 开环仿真模型

图4 开环结果图

闭环时，将输出电压和24V比较作差，经过PID(实际只使用PI)控制器，调节PWM波的占空比，当误差为正数时，占空比应调小，当误差为负数时，占空比应调大，设初始占空比为8%，因为误差可能较大，设置PI参数应尽量小，与0.08的数量级相同，用0.2与PID输出相减，经过0-1的限幅得到PWM波的占空比，驱动MOSFET。输入电压为10-16V时，自动调节占空比，得到输出电压均为24V左右。此时最终稳定的输出电压也与R阻值无关。

图5 闭环仿真模型

经过参数整定，调节PI参数为0.001和0.5，调参原则：Kp较小时峰值电压不过大，Ki较大时调节时间较短。下图显示在输入电压分别为10V、12V、15V时的输出电压。观察可见，输入电压越高，输出电压峰值、超调量越高，调节时间均小于0.3秒，最终稳定值都是24V。

图6 输入电压为10V时仿真结果图

图7 输入电压为12V时仿真结果图

图8 输入电压为15V时仿真结果图

保护电路使用Multisim仿真，SG3525产生5V的Vref，经过10k欧的电位器和3.3k欧电阻分压，输入LM358比较器反向端，输出电压经过20k和3.3k电阻分压输入比较器同向端，若同向端电压高于反向端，LM358比较器输出高电压，否则输出低电压，比较器输出电压输入74LS74的CLK时钟信号，由于D触发器的D端已经置高，每当时钟脉冲来临(即同向端电压高于反向端)，Q端就会跟随D端输出高电压5V，经过限流电阻(根据LED的工作电流确定)，使报警电路的LED灯亮。

同时，PIN5的Q端输出还直接连至SG3525的10脚Shutdown，使其关闭PWM输出，启动过压保护，输出电压不会超过阈值。

通过调节10k欧电位器，可以设置报警电压，电位器阻值越高，反向端电压越小，更易于同向端电压高于反向端，报警电压越低。如下图，设置电位器阻值为1k欧(10%)，报警电压为28V。

图9 输出电压为24V时仿真结果图(LED灭)

图10 输出电压为27V时仿真结果图(LED灭)

图11 输出电压为28V时仿真结果图(LED亮)

（三）系统实验验证(含实物图片、结果与结果分析)

1.电路实物图：分模块焊接测试

图12 电路实物图(正面 背面)

2.PWM波形调试：调节PIN2、16电位器，得到不同占空比的PWM波形。

图13 占空比8.69%PWM波形

图14 占空比42.44%PWM波形

图15 占空比73.91%PWM波形

3.开环测试：1、9脚短接，10脚直接接地，调节连接在PIN2、16的电位器，使在特定输入电压下的输出端电压为24V。此时改变输入电压，输出电压会随之改变，需要重新调节电位器，由于闭环建立在开环的基础上，只展示闭环的结果。

4.闭环测试：1、9脚加入电容电阻反馈电路，调节PIN2、16电位器，使在特定输入电压下的输出端电压为24V，此时改变输入电压，输出电压基本不变，稳定在24V左右，纹波小于1%，即输出电压在23.76V~24.24V之间。

如下图，在输入电压为9V或11V时，示波器上PWM波形占空比自动改变，使输出电压始终保持在24V左右。

图16 闭环测试(左图为9V，右图为11V)

（四）分析与讨论

1. SG3525的工作原理：上述比较详细地描述了主电路、开环闭环、保护电路的原理，保护电路由于时间原因未能做出实物，但由于缺少SG3525的仿真模型，在电路出现问题的时候花费了很多时间去读手册和调试，才在过程中慢慢理解了它的工作原理。

引脚功能：

① Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端(引脚 9)相连，可构成跟随器。

② Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端(引脚 9)之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。

③ Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

④ OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。

⑤ CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。

⑥ RT(引脚6)：振荡器定时电阻接入端。

⑦ Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚 5 之间外接一只放电电阻，构成放电回路。

⑧ Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5的软启动电容。

⑨ Compensation(引脚9)：PWM 比较器补偿信号输入端。在该端与引脚 2 之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。

⑩ Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。

⑪ Output A(引脚11)：输出端A。引脚 11 和引脚 14 是两路互补输出端。

⑫ Ground(引脚12)：信号地。

⑬ Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。

⑭ Output B(引脚14)：输出端B。引脚 14 和引脚 11 是两路互补输出端。

⑮ Vcc(引脚15)：偏置电源接入端。

⑯ Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。

工作原理：

5、6、7脚电容电阻确定锯齿波的频率，也为PWM波的频率，输入电压为基准电压经过电阻分压后的一条直线，将该直线与锯齿波比较，若锯齿波较小输出低电平，反之输出高电平，如下图。

图17 PWM波生成原理

只有软启动电充电至其上的电压使引脚 8 处于高电平时，SG3525 才开始工作。当 Shutdown(引脚 10)上的信号为高电平时，PWM 锁存器将立即动作，禁止 SG3525 的输出。

故在测试时，若PWM波输出不正常，先用万用表测量PIN8是否为高电平，PIN10是否为低电平，即SG3525是否工作。在SG3525工作状态下，用示波器测量PIN5锯齿波输出是否正常，若不正常，检查焊接是否完好，SG3525可能损坏，若正常，再逐一向后排查问题。

2. 闭环PI参数：参考比例积分环节的电路实现如下，查阅SG3525手册得知PIN1、9之间确实存在一个运算放大器。

图18 PI环节电路图

与前面所述闭环PI参数有所区别原因是，Simulink仿真中PID输出参数直接用于控制PWM波占空比，而在SG3525中PID输出为与锯齿波比较的直线电压，但两者都是Kp较小、Ki较大，符合前述分析的规律。

（五）感想与体会

在电力电子领域中，BOOST变换器作为一种常用的电源调节装置，其重要性不言而喻。而PWM控制技术作为现代电力电子的核心控制方法，对于提高电源的稳定性和效率具有关键作用。

在学习过程中，我首先对PWM控制和BOOST变换器的基本原理进行了深入了解。PWM，即脉宽调制，通过调节脉冲宽度实现对电能的精确控制。而BOOST变换器则是通过改变开关管的占空比，实现对输出电压的调节。随着学习的深入，我逐渐认识到这两者结合的必要性和优势。

在实验环节，我亲手搭建了基于PWM控制的BOOST电路，并对其进行了详细的测试。实验过程中，我遇到了许多预料之外的问题，如电路稳定性问题、PWM控制的精确度问题、闭环PID调节问题等。但正是这些挑战，让我更深入地理解了理论与实践之间的差距，例如BOOST的升压范围、负载对电路的影响。

在课程报告的准备过程中，我对所学的知识进行了全面的梳理，为了完善报告，我查阅了大量的文献资料，与同学进行了讨论交流。在这个过程中，我不仅提高了自己的学术能力，更培养了团队协作和沟通能力。

回顾整个过程，我收获颇丰，不仅对PWM控制和BOOST电路有更深的理解，更在实际操作中锻炼了自己的综合能力。我明白了理论与实践的结合是学习的关键，只有将理论知识应用到实际中，才能真正掌握一门技术。同时，我也认识到了持续学习的重要性，电力电子技术日新月异，只有不断学习、不断进步，才能跟上时代的步伐。

参考文献

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