基于FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制技術(shù)的程控直流變換器設(shè)計(jì)

0 引言

傳統(tǒng)變換器采用模擬硬件實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，獲得穩(wěn)定的電壓和電流輸出。模擬控制實(shí)時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)，響應(yīng)速度較快，然而在測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域和儀器產(chǎn)品中，模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性不能滿足實(shí)際需要。為了獲得高穩(wěn)定性能，需要添加大量元器件進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償。而且，負(fù)載、環(huán)境變化以及反饋環(huán)路中元器件的寄生參數(shù)、漂移、老化、不一致性等因素在一定程度上影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1，2]。因此，在需要更快實(shí)時(shí)反應(yīng)速度的高性能變換器系統(tǒng)中，模擬控制對(duì)輸入電壓和負(fù)載的復(fù)雜變化，很難實(shí)現(xiàn)良好的瞬態(tài)響應(yīng)，無(wú)法獲得多狀態(tài)下的穩(wěn)定控制。

隨著集成電路制造技術(shù)飛速發(fā)展，大量可編程數(shù)字芯片、微處理器不斷推出，數(shù)字控制變換器開(kāi)始受到人們關(guān)注。直流變換器從模擬變換器時(shí)代進(jìn)入數(shù)字變換器時(shí)代[3，4]。數(shù)字控制技術(shù)核心在于數(shù)字閉環(huán)控制算法通過(guò)軟件配置完成，大大減少模擬器件的使用，降低了硬件系統(tǒng)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)精確的非線性控制，也避免了由于器件參數(shù)變化、失效等造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定度。同時(shí)，系統(tǒng)中使用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路的零極點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償功能，極大提高了環(huán)路控制性能。在數(shù)字直流變換器領(lǐng)域應(yīng)用比較成熟的控制芯片主要是MCU或DSP，但由于速度受限[5，6]，為此學(xué)者開(kāi)始將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到FPGA上，例如文獻(xiàn)[7-9]。然而文獻(xiàn)[7-9]核心在于脈寬調(diào)制技術(shù)，本文提出一種新的設(shè)計(jì)方案，研究一種利用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制技術(shù)的程控直流變換器，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定的電壓、電流輸出。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)模擬循環(huán)控制直流變換器相比，數(shù)字控制直流變換器具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性，且能夠適應(yīng)較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)負(fù)載。數(shù)字程控直流變換器電路框圖如圖1所示，主要由5個(gè)基本電路模塊組成，分別是FPGA電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC電路、功率變換電路、檢測(cè)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC電路。FPGA電路作為數(shù)字直流變換器控制核心器件，實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制和電流閉環(huán)控制。檢測(cè)電路對(duì)變換器輸出電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)ADC電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字反饋信號(hào)，送入FPGA中進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，與電壓和電流的數(shù)字設(shè)定值進(jìn)行比較。FPGA數(shù)字處理后輸出電壓和電流數(shù)字混合誤差，經(jīng)過(guò)一個(gè)DAC電路轉(zhuǎn)換為模擬誤差，進(jìn)入功率變換電路完成電壓、電流信號(hào)的非線性精確輸出。

1.2 FPGA設(shè)計(jì)

FPGA選用XILINX公司XC3S2000-5FGG456C芯片，該器件不但擁有豐富的時(shí)鐘資源和I/O資源，而且可重復(fù)擦除性能好，調(diào)試簡(jiǎn)單，編程方便，能夠很好地滿足本文設(shè)計(jì)的需要。

FPGA控制原理如圖2所示，包括數(shù)字濾波、數(shù)字比較和數(shù)字積分三部分。其中數(shù)字濾波器和積分器是用戶根據(jù)負(fù)載不同進(jìn)行配置。通過(guò)改變積分時(shí)間常數(shù)來(lái)調(diào)理直流精度、輸出響應(yīng)。數(shù)字濾波器也是自定義補(bǔ)償?shù)牧銟O點(diǎn)濾波器，用于改變系統(tǒng)的相位，避免由于系統(tǒng)響應(yīng)快速而出現(xiàn)過(guò)壓沖擊以及振蕩。數(shù)字濾波和數(shù)字積分構(gòu)成系統(tǒng)的總體響應(yīng)，針對(duì)不同的負(fù)載特性可以自定義數(shù)字濾波器和積分器，從而獲得理想的直流輸出。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 功率變換電路設(shè)計(jì)

功率變換電路是本文硬件電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要是完成能量轉(zhuǎn)換，用于功率輸出或吸收功率，但同時(shí)影響著變換器的輸出紋波、噪聲、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定度等性能，其電路圖如圖3所示。V12、R79、R80、C143、C145組成具有穩(wěn)壓功能的有源濾波器。利用V12的電流放大作用，將基極紋波抑制能力放大，大大減小濾波電容器的容量，顯著提高了電路的濾波效果。V13、V14是差分對(duì)管，與R81、R82、R83、R85、R86構(gòu)成單入單出差分放大電路，將V13基極信號(hào)轉(zhuǎn)換為V14集電極信號(hào)輸出，送入V16基極。V15、V18、V23、R84、R88、R89、R91、C146組成恒流源電路，提高放大電路輸入阻抗，同時(shí)起抑制共模信號(hào)，提供電流的作用；其中V23是雙二極管，為V15和V18提供偏置電壓，并通過(guò)R84、R91設(shè)置恒流值。V16和R86組成共射極放大電路，映射V13基極信號(hào)變化。V17、R90、R409和R410組成VBE擴(kuò)大電路，其作用是為V19、V22提供適當(dāng)?shù)闹绷髌靡韵齎19、V22交越失真。雙二極管V38向V39、V40提供一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘海ＷCV39、V40處于微導(dǎo)通狀態(tài)，防止V39、V40產(chǎn)生交越失真。V20、V21、R78、R95、R96和R179構(gòu)成雙向電流保護(hù)電路，R78為電流監(jiān)視電阻，通過(guò)反饋其兩端電壓差來(lái)控制V20、V21通斷。一旦正向輸出過(guò)流，R78兩端電壓大于V20的BE結(jié)電壓，V20導(dǎo)通，V19、V40關(guān)斷，輸出被限制；反之，逆向輸出過(guò)流，R78兩端電壓大于V21 BE結(jié)電壓，V21導(dǎo)通，V22、V39關(guān)斷，輸出被限制。R404、R405、R406、R407、C324、C325將輸出信號(hào)引回輸入端，為功率變換電路提供負(fù)反饋，保證控制環(huán)路穩(wěn)定，并有效抑制輸出噪聲。

2.2 DAC電路設(shè)計(jì)

DAC電路如圖4所示，將FPGA輸出的數(shù)字誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬誤差信號(hào)，完成對(duì)功率變換電路的控制。其中，DA轉(zhuǎn)換器選用14位高速低功耗器件AD9744，工作頻率78 MHz，完全滿足系統(tǒng)對(duì)精度和帶寬的要求。運(yùn)算放大器N86和N87選擇高速低噪聲AD8021ARM，其鮮明特點(diǎn)是輸入失調(diào)電壓低、轉(zhuǎn)換速率快。AD9744和AD8021ARM的配置為功率變換電路提供了高速高精度的驅(qū)動(dòng)保障。

2.3 ADC電路設(shè)計(jì)

ADC電路將模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)提供給FPGA進(jìn)行處理，分為電壓ADC和電流ADC兩路，但電路原理相同，電路如圖5所示。AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)直接決定著系統(tǒng)分辨率和精度，為此選用24位高性能器件AD7760，輸入頻率為39 MHz。

3 軟件設(shè)計(jì)

在數(shù)字直流變換器中，硬件電路是軟件配置的基礎(chǔ)，軟件配置是硬件電路的靈魂，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行管理。圖6給出了數(shù)字直流變換器系統(tǒng)具體工作流程。

開(kāi)機(jī)后，F(xiàn)PGA首先下載配置程序，系統(tǒng)對(duì)電壓ADC和電流ADC寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作，并對(duì)電壓檔位控制繼電器、電流檔位控制繼電器、輸出繼電器等進(jìn)行初始化。然后，系統(tǒng)進(jìn)入自檢和校準(zhǔn)模式。如果系統(tǒng)自檢和校準(zhǔn)通過(guò)，進(jìn)入下一步，否則軟件關(guān)斷輸出繼電器。自檢和校準(zhǔn)完成后，輸入系統(tǒng)電壓和電流設(shè)定值，并設(shè)定相應(yīng)的工作模式，待電壓和電流反饋回路的檔位設(shè)定后啟動(dòng)主ADC和從ADC，此時(shí)電壓和電流閉環(huán)控制建立，系統(tǒng)開(kāi)始工作。若沒(méi)有過(guò)壓或過(guò)流保護(hù)，那么系統(tǒng)對(duì)外輸出信號(hào)，否則系統(tǒng)停機(jī)。系統(tǒng)工作時(shí)，軟件同時(shí)監(jiān)測(cè)依從ADC輸出，若依從ADC輸出大于設(shè)定值，則系統(tǒng)自動(dòng)切換工作模式。其中，主ADC和從ADC根據(jù)變換器工作模式而定。電壓源模式，主ADC和從ADC分別為電壓ADC和電流ADC；電流源模式，主ADC和從ADC分別為電流ADC和電壓ADC。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7中(a)～(i)是使用示波器測(cè)量得到的空載、阻性負(fù)載和容性負(fù)載條件下，不同輸出電壓等級(jí)下實(shí)際紋波波形，表1是其對(duì)應(yīng)電壓輸出值。從表1中看出不論在何種負(fù)載條件下，數(shù)字程控直流變換器的輸出都是在一個(gè)比較小范圍內(nèi)變動(dòng)，輸出很穩(wěn)定且精度高，高達(dá)萬(wàn)分之六。同時(shí)對(duì)比圖7中紋波波形圖發(fā)現(xiàn)數(shù)字控制直流變換器的輸出紋波最大僅40 mV，在容性負(fù)載條件下甚至小于10 mV，且在同一負(fù)載特性下，輸出紋波幾乎不受輸出電壓影響。

5 結(jié)論

本文闡述了數(shù)字程控直流變換器的設(shè)計(jì)方案、硬件電路、軟件設(shè)計(jì)，給出了變換器的實(shí)際結(jié)果。實(shí)際測(cè)量表明：使用FPGA為核心的數(shù)字電壓/電流閉環(huán)控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，且變換器獲得了穩(wěn)定高精度的輸出，其輸出紋波也非常小，最小能達(dá)到10 mV。另外，變換器減少了模擬器件的使用，降低了硬件系統(tǒng)復(fù)雜度，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的非線性控制，避免由于器件參數(shù)變化、失效等造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定度，動(dòng)態(tài)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。因此在精密儀器和測(cè)試領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值。