基于FPGA的PWM控制器设计及应用

西安科技大学硕士学位论文基于FPGA的PWM控制器设计及应用姓名：任小青申请学位级别：硕士专业：微电子与固体电子学指导教师：徐大林;刘树林2011论文题目：基于FPGA的PWM控制器设计及应用专业：微电子与固体电子学硕士生：任小青（签名）指导教师：徐大林（签名）刘树林（签名）摘要数字电源与传统的模拟电源相比具有灵活变换、精确控制、实时监控、稳定可靠等优点，在近几年得到高速发展，尤其在高端领域是模拟电源不能替代的。随着越来越多的国际设计公司开始涉足数字电源，数字电源正成为电源领域的研究热点。现场可编程门阵列器件(FPGA)是一种新型集成电路，可以将众多的控制功能模块集成为一体，具有集成度高、实用性强、高性价比、便于开发等优点，因而具有广泛的应用前景。本文研究和设计了一款基于FPGA电压控制型PWM数字控制器，控制器结构分三个部分：ADC、PID控制器和数字PWM发生器。根据ADC的分辨率和采样率要求选用合适的A/D转换电路；数字PID控制器是通过设计连续域的PID控制器，利用零极点匹配方法将其转换成离散域PID控制器；数字PWM发生器的设计是根据系统精度要求确定分辨率要求，经分析比较各种方法后确定采用计数-比较方式实现。整个设计利用Altera公司的EDA工具QuartusⅡ软件，采用自顶向下的方法对该控制器进行了RTL级详细设计，运用模块化结构设计易于移植，整个控制系统便于功能扩展和升级。设计完成后，对各模块和系统进行了仿真，最后将程序下载到EP2C5Q208C8N芯片中进行了系统功能测试。数字控制器的系统验证是先通过Simulink建立系统模型，验证控制器的环路补偿特性和系统稳定性，然后将控制器应用于Buck电路进行测试，测试结果表明纹波系数为1.6%；在负载或输入电压变化情况下，电源系统的输出电压能快速恢复到稳定状态，总体性能达到预期设计目标。实验结果证明了理论分析的正确性和提出方案的可行性。关键词：FPGA；数字控制；数字脉宽调制；数字补偿器研究类型：应用研究Subject:DesignandApplicationofPWMConverterBasedonFPGASpecialty:MicroelectronicsandSolidStateElectronicsName:RenXiaoqing(Signature)Instructor:XuDalin(Signature)LiuShulin(Signature)ABSTRACTThedigitalpowerhasmanyadvantages,suchasflexibletransform,accuratecontrol,real-timesupervisingandbetterstability.Inrecentyears,digitalpowersplayanirreplaceableroleinseniorpowermanagementapplications.Asmoreandmoreinternationalpowerdesigncompaniessetfootindigitalpowerfield,itbecomesthefocusofpowerdesign.FPGA(FieldProgrammableGateArrays)isanewtypeofIC(IntegratedCircuit),integratingmanycontrolfunctionmodules.Withadvantagesoffullintegration,goodapplicability,highperformance-costratioandbeingdevelopedeasily,ithasavarietyofapplicationsinmanyfields.BasedonaFPGAdevelopmentboard,adigitalconverterwithvoltagefeedbackPWMcontrolmodeisdesigned.ItincludesADCcontroller,digitalPIDcompensatoranddigitalPWMgenerator.Accordingtotheadaptivesamplerateandresolutionratio,asuitableADCcanbechoosed.TodesigndigitalPIDCompensator,acontinueformcompensatorcanbedesignedbeforeitwastransformedintoadiscreteone.Accordingtotheprecisionandresolutionofthesystem,counter-comparemethodcanbeusedindigitalPWMgenerator.Withthetop-to-downapproach,RTL-leveldesignofthiscontrolleriscarriedoutbasedonQuartusⅡ.Thedesigniseasytotransplantandupgradethankstomodularization.EachmoduleisverifiedandthewholecontrollerissimulatedaftertheRTLleveldesign.Finally,thedesignedfileisdownloadedtoEP2C5Q208C8NchipattheFPGAkittoverifythesystemfunction.Thetestofthedesignhastwosteps.Firstly,thecompensatoryandstablecharactersofthesystemaretestedinasystemSimulinkmodel.Secondly,buckcircuitistestedbyanoscillograph.Theresultindicatesthattherippleratiois1.6%andtheoutputvoltagecanrecovertostablestaterapidlywhentheloadortheinputvoltagechanges.Theexperimentalresultsprovethefeasibilityoftheproposedmethod.Keywords:FPGADigitalControlDigitalPWMDigitalCompensatorThesis:ApplicationResearch1绪论11绪论1.1本课题研究背景及意义作为电子产品工作动力的电源，其质量直接影响电子设备的性能以及使用寿命，电子产品规格不同，额定工作的电压和电流也不同，甚至同一个产品在不同的工作阶段需要的电压、电流都是不同的。但是无一例外的是各种各样的产品都希望能够得到所处阶段所需要的稳定的工作电压和恒定的工作电流，并且在负载发生变化时候电源输出特性最好不受影响，或者在最短的时间调整到额定状态，因此在各式各样的电子产品的应用中都离不开变换器，根据转换前后的电压电流形式通常把电源分为AC、DC两大类。因此，基本的电力电子电路就可分为四大类型，即AC/DC电路、DC/AC电路、AC/AC电路、DC/DC电路[1]。AC/DC电路和DC/AC电路比较容易理解，对于AC/AC电路，可以变换的对象有频率、相数、电压和电流等，对于DC/DC电路，可以变换的主要对象是电压和电流。电力电子电路中的核心元器件是电力电子器件，顾名思义开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源，这样可以使损耗很小，这是电力电子电路的一个显著特点。开关电源以DC/DC变换器设计最为基础，应用最为广泛，在各类便携式装置如笔记本电脑、移动电话、寻呼机、PDA中都离不开各种DC/DC变换器。目前在便携式电子产品中主要应用的三种DC/DC电源管理模式：低压差线性稳压器、开关电源、电荷泵[2]，其特点如表1.1所示。表1.1三种DC/DC电源管理模式比较种类工作模式效率复杂度输出纹波外围器件负载性电磁干扰低压差线性稳压器降压低低低电容中低电荷泵升、降压，反转中中中电容差中开关电源升、降压，反转高高高电容电感好高低压差线性稳压器只能适用于降压变换，从其工作原理来讲，低压差线性稳压器根据负载电流的变化情况来调节自身的输出电阻，维持稳压输出端的电压不变，适合于输入输出电压差较小的场合，通常效率不高并且发热严重。电荷泵式电压变换器是一种利用泵电容来储能的DC/DC变换器，它既能使输入电西安科技大学硕士学位论文2压升高或降低，也可以用于产生负电压[3]。开关电源变换器利用电感储能，与低压差线性稳压器或电荷泵相比要求更大的电路板面积，但能提供很大的负载电流。如果能将所需的高耐压的开关晶体管集成到器件中，使用时只需外接一个电感和必要的输入、输出电容，可以使整个方案的体积进一步减小，使用更加简便；这种类型的开关电源效率高，负载电流大，但是纹波比低压差线性稳压器大，且通常所需外围电感并不容易集成到芯片内部；随着开关电源技术发展，工作频率的提高可以减小纹波，减小外围电感要求[4]。电源技术的发展经历了电子管稳压源、晶体管稳压源、以IGBT和GTR为开关器件的低频开关稳压源、以场效应管作为开关器件的高频稳压源几个时期，总体的发展趋势是朝着体积小、损耗小、效率高、可靠性高的方向发展[5]。传统的模拟开关电源由于使用模拟器件设计，在反馈控制回路中采用误差放大器，基准电压源等电路，对工艺、器件稳定性要求较高，而且模拟电路容易老化且受温度干扰。此外，用户对电源的无故障运行时间、电源运行状态的监控要求也越来越高，电源设计人员不仅仅满足于实时监控电流、电压、温度，还提出了根据电源负载情况灵活设定输出电压参数的要求，这些需求是现阶段的模拟电源设计方案难以满足的，因此，产生了用数字电路设计电源的想法，其目标就是将电源管理功能用数字方法设计，并实现智能、高效的转换与控制[6]。数字化控制系统以其突出的优点逐渐取代模拟控制电路，在电力电子电路领域的各个方面已经得到了广泛的应用。随着微电子的发展，高速度、高集成度的现场可编程门阵列与数字化控制技术的结合成为数字化控制系统发展的必然趋势。结合数字控制优点及FPGA长处，本文提出一种基于FPGA的开关电源数字化控制系统方案，并完成了设计仿真以及实验验证。将开关电源控制器集成在一片FPGA芯片上，一方面提高了控制芯片的工作效率，另一方面减少控制芯片的外围分立元件，从而提高系统工作可靠性，增强系统的灵活性、适应性，减少PCB面积、降低成本。基于FPGA的灵活性和可任意配置特性，本系统中各个功能模块通过单独配置，可以作为独立模块下载到芯片中使用，具有很强的通用性；当需要系统升级或者系统功能扩展时，只需将现有系统移植到更高级的FPGA芯片，并加入需要的功能模块即可，因此具有很强的移植性。1.2数字电源国内外发展趋势和研究现状现阶段所研究的数字电源是基于电源的拓扑结构使用数字实现反馈回路进行控制，并结合监控、保护、通信等功能。常见的方案有两种：(1)单芯片控制器解决方案通常是通过ADC采样反馈输出电压或者电流量，将采样误差送入数字控制算法单1绪论3元计算出合适的占空比，再经过数字PWM发生器产生对应占空比大小的开关控制信号，调整输出电压到稳定状态。这种解决方案已经发展得比较成熟，甚至可以通过预留引脚对控制算法进行调节，对工作状态进行监控。这种方案成本较低，与模拟电源管理芯片相差不大。但是单芯片的解决方案的精度有限，一般单芯片控制器运行频率有限，在成本的限制下，输出控制信号无法达到很高的分辨率[7]。(2)基于高性能DSP或MCU的解决方案通过高性能的DSP或者MCU对电源直接控制的方案是一个功能完善的独立解决方案。对检测量的采样，对误差量的运算处理，产生PWM控制信号都是由内部集成单元完成。而且基于这样的结构和指令优化过的DSP或者MCU，其环路延迟较小