（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的dcdc变换器的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 数字开关电源相对于模拟开关电源具有可编程、可实现数字接口、可集成控 制算法、高效、稳定等优势，其中的d c d c 变换器作为核心部分能够广泛应用于 分布式电源、清洁能源系统、智能电网等领域，因此，数字电源正逐步走进人们 的视野和生活，成为科学研究热点。 本文参考与借鉴国内外数字电源管理研究现状，提出了一种基于f p g a 的电 压反馈型d c d c 变换器。主要内容包括功率级电路、a d 转换模块、数字p i d 控 制器和d p w m ( d i g i t a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 发生器的设计等。首先根据变换器的 各项性能指标确定功率级、a d 转换器和p w m 发生器的参数，对其进行数学建模 与分析，然后通过在连续域中设计并转化至离散域中实现的方式对p i d 控制器进 行设计，使用m a t l a b 软件对各部分参数进行调整和优化，并通过s i m u l i n k 软件 对系统进行了仿真。其次通过q u a r t u si i 软件设计了a d 控制器、积分分离型数字 p i d 控制器和计数比较器一抖动混合型d p w m 发生器模块，并进行了各部分波形 仿真。最后在f p g a 上对系统进行验证并搭建实际电路对系统进行测试和分析。 测试结果表明，本文设计的基于f p g a 的d c d c 变换器输入电压为5 v 1 5 v ， 输出电压为9 v ，纹波电压小于1 ，负载电流为7 5 0 m a ，并且能够通过数字接口 对系统参数进行实时显示和设置。基于f p g a 的数字控制器有效的克服了模拟控 制器的调整性差，接口功能不足等缺点，同时还具有单片机和a r m 所不具有的并 行处理能力。 关键词：直流直流变换器；数字脉宽调制；p i d ；f p g a 黑龙江大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 一 a b s t r a c t c o m p a r e dt ot h ea n a l o gp o w e rs u p p l y ，t h ea d v a n t a g e so fd i g i t a lp o w e rs u p p l ya r e p r o g r a m m a b i l i t y , d i g i t a li n t e g r a t e di n t e r f a c e ，c o n t r o la l g o r i t h m ，h i g he f f i c i e n c y , s t a b i l i t y , a n ds oo n t h ed c d cc o n v e r t o r sa r e w i d e l yu s e di nd i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e m ，c l e a ne n e r g ys y s t e m ，s m a r tp o w e rg r i d sa n ds oo n ，a st h ec o r eo fd i g i t a lp o w e r s u p p l i e s ，w h i c ha r es e t t i n gf o o ti n t op e o p l e s r e s e a r c hf i e l do fv i s i o na n dl i v e s 弱ah o t t o p i ci nt h er e s e a r c h i h a v i n gr e f e r e n c e dt ot h o s ea d v a n c e de x c i t a t i o nr e s e a r c h e so np o w e rs u p p l i e s m a n a g e rd o m e s t i ca n da b r o a d ，av o l t a g e m o d ec o n t r o ld c d cc o n v e r t o rb a s e do n f p g aw a sp u tf o r w a r di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sw e r e d e s i g n s o fp o w e rc i r c u i t ，a dc o n v e n o r ，d i g i t a lp i dc o n t r o l l e ra n dd p w m ( d i g i t a lp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) g e n e r a t o r t h ep a r a m e t e r so fp o w e rc i r c u i t ，a dc o n v e r t o ra n dd p w m g e n e r a t o rw e r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n gp e r f o r m a n c e s t h em a t h e m a t i c a l m o d e la n dd a t aa n a l y z i n gw e r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h i ss y s t e m t h ep i dc o n t r o l l e r w a sd e s i g n e di nc o n t i n u o u ss p a c e ，a n dt h e nb et r a n s f o r mi n t od i s c r e t es p a c e t h e p a r a m e t e r sw e r ea d j u s t e da n do p t i m i z e db ym a t l a bs o f t w a r e ，a n dt h es y s t e mw a s s i m u l a t e db ys i m u l i n km o d u l e t h e a dc o n t r o l l e r , i n t e g r a ls e p a r a t i o nd i g i t a lp i d c o n t r o l l e ra n dac o m p o u n dd p w mi n c l u d i n g c o m p a r a t o r - c o u n t e ra n dd i t h e r w e r e d e s i g n e db yq u a r t u s l is o f t w a r e ，a sw e l l 弱t h ew a v ef o r ms i m u l a t i o n f i n a l l y ，t h e r ew e r e s o m et e s ta n da n a l y z i n gf o rt h ei m p l e m e n t a t i o na n dav e r i f i c a t i o no ft h ed e s i g no n f p g a t e s tr e s u l t so ft h i sd c d cc o n v e r t e rb a s e do nf p g as h o wt h a ti n p u tv o l t a g ei s 5 v - 1 5 v , o u t p u tv o l t a g ei s9 v , r i p p l ev o l t a g ei sl e s st h a n1 ，l o a dc u r r e n ti s7 5 0 m a , a n ds y s t e mp a r a m e t e r sa r ed i s p l a y e de n ds e t t i n gt h r o u g hd i g i t a li n t e r f a c e t h ed i g i t a l c o n t r o l l e rb a s e do nf p g ae f f e c t i v e l yo v e r c o m e st h e p o o ra d j u s t m e n t ，i n t e r f a c e s i n s u f f i c i e n c ya n do t h e rs h o r t c o m i n g so fa n a l o gc o n t r o l l e r s a n di ta l s oh a st h ep a r a l l e l p r o c e s s i n gw h i c hm c u a n da r md 0n o th a v e k e y w o r d s ：d c d c ；d p w m ；p i d ；f p g a n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着工业的高速发展，高效、清洁且充足的太阳能发电系统越来越多的应用 于小型电子产品、汽车、别墅、农场、飞机、卫星等独立电器系统中【1 】【2 】。光伏发 电系统虽然能够提供充足的绿色能源，但是其发电过程受日照度、温度、天气等 外界因素影响比较大，其输出电压会随着外界因素的变化而起伏，而在分布式电 源系统中，不同的用电设备根据自身需求往往需要大小不同且输入稳定的工作电 压，为获得稳定输出，需要使用d c d c 变换器来调节、控制和保护电器系统【3 1 。 d c d c 变换器能够应用于各种分布式电源设备中，具有较强的扩展性和实用性， 其应用前景十分广阔。 线性d c d c 变换器也叫串联型d c d c 变换器。它通过在输入和输出之间串 联一个晶体管来实现转换功能，该晶体管工作在其电压电流特性曲线的线性区， 用于承受输出的过剩电压v o 咿该差值也成为线性变换器的压差，这一差值决 定了线性电源都存在着一个跌落电压，使得线性电源只能输出比输入电压低的电 压，并且始终存在很高的过剩功率消耗，这条件决定了线性电源的效率要低于 开关电源。 开关型d c ，d c 变换器，顾名思义，是一种工作与开关状态的变换器。同线性 d c ，d c 变换器一样，其输入和输出之间也存在个晶体管，但是该晶体管并非工 作在其电压电流特性曲线的线性区，而是工作于开( 饱和导通) 和关( 截止区) 状态。通过对开关状态的控制，可以实现对输出功率的控制，从而有效的减少了 过剩功率的消耗，提高了d c d c 变换器的效率【卅。 因此，无论是工业设备还是民用设施，开关电源已经深入我们生活中的各个 领域，逐渐取代了传统的线性电源。传统的开关电源主要采用模拟控制器，其在 应用环境相对比较稳定、功能要求相对简单和使用参数相对固定的场合，能够显 示出技术成熟、成本低的优势，但其稳定性受模拟器件性能的影响相对较差，专 黑龙江大学硕士学位论文 i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ki i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 用的芯片和控制方式也限制了其灵活性，大部分模拟控制器不具有高级接口功能 刍筐1 8 1 9 叮 o 数字控制器相对于模拟控制器具有如下优势 1 0 钔1 ： ( 1 ) 可调整性强。模拟控制器在面对较大的输入输出参数变化量时，其适应 性相对较差，难以实现在较大范围内的调整，因此其主要面对一些固定参数的应 用。而数字控制器在面对较大的输入输出参数变化量时，能够通过调用预存在数 字寄存器中的参数或进行在线修改参数的方式对控制量进行调整，实现对不同参 数的应用。 ( 2 ) 稳定性强。模拟控制器在控制回路中使用的模拟分立器件容易受外界环 境温度、湿度和各器件本身老化性能的影响。数字控制器通过软件程序的方式实 现功率变换控制和反馈控制算法，能够有效的降低外部环境对控制性能的影响。 ( 3 ) 电源管理功能。数字控制器不但可以采集到待检测电压电流值，实现对 环路的反馈控制，还能够对系统中的温度、湿度、散热等其他数据进行实时存取， 实现对系统故障和异常状况的记录、分析和处理，还能通过软件编程和高级算法 的方式对有特殊上电掉电时序要求的系统进行控制。 ( 4 ) 抗外界干扰性强。数字方式相对于模拟方式具有更强的抗干扰性能，能 够有效的减少外界干扰信号对关键信号的影响。 1 2d c d c 变换器的主要类型 以下分别按d c d c 变换器的工作方式、控制类型拓扑结构对d c d c 变换器 进行介绍。 1 2 1d c d c 变换器的工作方式 d c d c 变换器按控制原理进行分类，主要包含以下四种工作方式【1 4 1 7 l ： ( 1 ) 脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ，即脉宽调制) 。在 这种工作方式下，开关频率始终不变，通过改变脉冲宽度来调整占空比，从而调 整输出电压使其稳定。 ( 2 ) 脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，简称p f m ，即脉频调制) 。 第1 章绪论 在这种工作方式下，脉冲宽度始终不变，通过改变脉冲周期来调整输出电压使其 稳定。 ( 3 ) 脉冲密度调制( p u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o n ，简称p d m ，即脉密调制) 。在 这种工作方式下，脉冲宽度始终不变，通过改变脉冲密度即单位时间内脉冲的数 量来调整输出电压使其稳定。 ( 4 ) 混合调制。这种工作方式结合了方式( 1 ) 和方式( 2 ) 。开关频率和脉 冲宽度都可以改变，通过调整这两个参数稳定输出电压。 在实际应用中，使用得比较多的方式是脉冲宽度调制方式【1 8 l 。 1 2 2d c d c 变换器的控制方式 电压控制和电流控制是d c d c 变换器比较常用的两种控制方式，在实际使用 中，通常需要根据不同的应用场合和需求参数来选择合适的控制方式。 ( 1 ) 电压控制。在电压控制系统中，当输出电压偏离参考电压值时，采样电 路把其和参考电压比较得到的误差量送给p w m 发生器，再和设定好的三角波信号 进行比较获得所需的占空比信号。 电压控制型d c d c 变换器具有以下优点； a 、电压控制属于单一反馈回路型的闭环控制，相对容易实现； b 、工作状态比较稳定； c 、输出阻抗比较低，对同一个负载可以使用多个变换器并联供电。 电压控制型d c d c 变换器具有以下缺点： a 、响应时间比较长； b 、缺少保护电路； c 、需要考虑增加频率补偿。 ( 2 ) 电流控制。在电流控制系统中往往既有电流控制，又有电压控制，当流 经开关管的电流改变时，串联在开关管上的检测电阻两端的电压发生改变，并通 过反馈回路快速的反馈到p w m 发生器，改变开关状态，这就比输出端的电压反馈 要快得多。 电流控制型d c d c 变换器有以下优点： 黑龙江大学硕十学位论文 ii i i a 、其增益带宽比电压控制型变换器大； b 、电流反馈坏经过的反馈回路比电压反馈环的短，所以响应时间短，变换器 的稳定性更好； c 、双环控制的电压调整率比单环控制的要高； d 、不需要设计复杂的补偿网络： e 、不需要增加额外的限流保护。 电流控制型d c d c 变换器有以下缺点： a 、设计时需要同时考虑两套环路的因素； b 、占空比不能过大，否则需要进行斜率补偿； c 、对电流上的噪声比较敏感，需要进行滤波或除噪以提高系统稳定性1 1 9 1 。 1 2 3d c d c 变换器的拓扑结构 常用的d c d c 变换器有十余种拓扑结构，但是这十余种拓扑结构主要基于以 下三种最基本的拓扑结构1 2 0 之2 1 ： ( 1 ) b u c k 型d c ，d c 变换器。 图1 1 所示为理想的b u c k 型d c d c 变换器拓扑，主要由输入电压源、开关、 二极管、电感、电容和负载电阻组成。之所以称之为b u c k 型变换器是因为其输出 电压一般低于输入电压，或者和输入电压反向。变换器中的二极管与开关配合， 当开关开启时，二极管处于反向偏置状态，因此电流不流过二极管，电压源将能 量送给电感；当开关关断时，电压源停止给电感提供能量，电感储存的能量使得 二极管正向导通，为电感提供续流回路。 图1 - 1 理想的b u c k 型d c d c 变换器拓扑 f i g 1 - 1i d e a lb u c kt o p o l o g yw i t hd c d cc o n v e r t o r 第1 章绪论 ( 2 ) b o o s t 型d c d c 变换器。 图1 2 所示为理想的b o o s t 型d c d c 变换器拓扑，主要由输入电压源、开关、 二极管、电感、电容和负载电阻组成。之所以称之为b o o s t 型变换器是因为其输出 电压为输入电压与电感电压的叠加，因此输出电压一般高于输入电压。变换器中 的二极管与开关配合，当开关开启时，输入电压给电感充电，二极管处于截止状 态，负载中的电流由电容提供；当开关关断时，电感续流电流流过二极管，为负 载供电，此时负载上的电压为电感电压和输出电压的叠加。 图1 - 2 理想的b o o s t 型d c d c 变换器拓扑 f i g 1 - 2i d e a lb o o s tt o p o l o g yw i t hd c d cc o n v e r t o r ( 3 ) b u c k b o o s t 型d c d c 变换器。 图1 3 所示为理想的b u c k b o o s t 型d c d c 变换器拓扑，主要由输入电压源、 开关、二极管、电感、电容和负载电阻组成。之所以称之为b u c k b o o s t 型变换器 是因为其输出电压可高于或低于输入电压。变换器中的两个开关同时开启或关断， 当开关开启时，输入电压给电感充电，二极管处于截止状态，负载中的电流由电 容提供；当开关关断时，电感续流电流流过二极管，为负载供电由于电感的一端 通过二极管与公共端相连，故输出电压可高于或低于输入电压。 图1 3b u c k b o o s t 型d c d c 变换器拓扑 f i g 1 3i d e a lb u c k - b o o s tt o p o l o g yw i t hd c d cc o n v e r t o r 黑龙江大学硕士学位论文 1 3d c d c 变换器的发展现状与趋势 1 3 1 国外研究现状 由于模拟电源控制技术相对比较成熟，成本上也占有一定的优势，所以目前 模拟电源在市场上占有很大的比例，但是随着数字技术的发展，数字电源控制器 的使用呈现出很大上升趋势。可与预见，在不久的将来，数字电源控制技术将和 模拟电源控制技术并驾齐驱，甚至逐渐取代模拟电源控制器的市场地位。 全球电力电子研究机构d a m e l lg r o u p 的数据表明【2 3 l ：从2 0 0 6 年到2 0 1 1 年世 界数字电源管理专用集成电路市场产生了百分之七十二的增长率。其中占据主要 份额的是数字环路控制芯片，数据表明其占有率在五年内增加了百分之三十七。 国际上一些著名的研究机构和电子产品公司开始投入大量的人力和财力到数字电 源管理中，其中的一些已经获得了显著的成果，如已经研制出了部分数字电源控 制器的相关产品，如s e m t e c h 公司、p i r m a r i o n 、飞思卡尔、科罗拉多大学、德州 仪器等，其数字化电源研究的关键技术和发展现状如下所述。 ( 1 ) s e m t e c h 公司推出的s c a 9 3 数字电源控制器具有该公司最新的专用 a o t ( 自适应导通时间) 架构，其转换效率要高于同类型产品，响应时间也比未采用 此架构的控制器要短，而且用户完全可以通过1 2 c 总线接口对转换器的输出电压、 工作频率、工作模式等进行灵活设置，此外，控制器内部还集成了电压电流保护 模块，为电源系统提供更加安全稳定的工作状态。为了降低电源的电磁干扰，该 芯片还采用了s m a r td r i v e 技术，使得该数字电源控制器能够灵活应用于通信系统、 网络设备和工业装置等对电源稳定性和灵活性要求较高的场合f 2 4 1 。 ( 2 ) 著名电子产商英飞凌科技旗下的p r i m a r i o n 公司生产的开关电源数字控 制器在各大电子产商的高端产品中得到广泛使用【2 5 1 。其中p x 7 5 1 0 作为公司的早期 产品，能够同时运行4 个控制器，并且四个控制器可以工作在不同的相位。该芯 片还支持p m b u s ( 电源管理总线) 通信接1 ：3 ，用户可以通过接口对电源的各种参数进 行实时监控、修改和调整i2 6 1 。与同类型其他产品相比较，该型芯片通过使用a e o n 非易失性存储器技术和状态机控制的方式有效降低了方案成本，使其更加具有市 第l 章绪论 场竞争力【2 7 j 。 ( 3 ) a d i 公司旗下的电源管理组件a d p l 0 4 3 为用户和研发人员提供了良好 的可视化接口g u i ，帮助设计者更加直观和便捷的对开关周期、保护模块参数和 反馈参数等进行设置和管理，有效地缩短了开发周期。a d p l 0 4 3 具有7 通道的p w m 输出接口，内部程序和数据存储单元，差分电压采样模式以及1 2 c 数据接口，用 户可以大大减少外围设备的数量，降低系统成本【2 8 1 【2 9 j 。 ( 4 ) 飞思卡尔公司也针对数字电源管理提出了一系列的解决方案，其产品中 比较有代表性的是具有极强的数字运算能力的m c 5 6 f 8 2 x x 系列微控制器。6 0 m h z 工作频率伎其成为具有内部f l a s h 的d s c ( 数字信号控制器) 中速度最快的产品，频 率调节性能更强，而3 6 v 的工作电压使其效能远远高于同性产品，同时，该产品 引入的n a n oe d g e 技术能够有效提高转换效率和输出精确度，充分满足其在通信 和电机控制等高频、高精度领域的应用f 3 0 】【3 1 j 。 ( 5 ) 美国科罗拉多州立大学主要致力于对新型开关电源结构和集成无源器件 的研究f 3 2 】。他们率先提出了在c o m p a r a t o r - c o u n t e r 方式的基础上加入d e l a y l o o p 的混合型d p w m 结构，在不大幅增加基本频率的情况下有效地提高了脉宽分辨率 【3 3 1 。具有该种新型结构的c m o s 工艺专用数字电源管理芯片已经成功的应用到低 压d c d c 变换器中，其工作频率仅为开关频率的8 倍频【3 4 1 。 ( 6 ) s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 的s i 8 2 5 x 系列数字控制芯片内部含有一个专门的信 号采集和产生模块，能够应用于采样频率和开关频率较高的应用场合，同时其内 部还有一个控制处理器，能够在较低的频段实现对系统的反馈控制，这种将信号 处理和控制功能分别进行的方式，有效地降低了产品成本和设计周期，同时还能 够实现更加先进的控制算法。s i 8 2 5 x 内部含有高速的模数转换器和数模转换器，i i r 补偿器，多通道数字脉宽调制输出，一个8 0 5 1 内核的控制处理单元，锁相环模块， 非易失性数据程序存储器，串行通信接口以及若干保护模块。用户能够方便快捷 地对控制芯片进行编程和管理【3 5 1 。 ( 7 ) 美国著名电子厂商德州仪器公司发布的p i c c o l om c u 高电压p f c 开发组 件，能够实现双相位功率因数校正和隔离式的j t a g 接口【3 矾。研发了一系列基于 黑龙江大学硕士学位论文 数字信号处理器核心的数字电源管理芯片，该系列产品在模拟控制器的基础上添 加了数字通信接口、数字保护模块、可编程数字脉宽调制器、低压大电流驱动、 高精度模数转换模块、内部非易失性闪烁存储器、p m 总线等功能【3 7 1 【3 8 l 。 此外还有诸如m a x i m 公司的m a x l 6 0 6 4 可以同时监控4 个电源转换器。凌特 技术公司的l t c 2 9 7 8 可以同时监控7 个模拟电源转换器等f 3 9 1 。 、 1 3 2 国内研究现状 目前，国内在数字电源领域的研究相对于国外的研究处于较落后的状态，国 内市场上流通的d c d c 变换器控制器主要使用从国外各大厂家进口的专用模块或 者使用d s p 、a s i c 等控制芯片进行控制。 2 0 0 6 年，贵州大学的徐金龙，刘宇红，刘桥设计了基于f p g a 的数字信号波 形发生器，其原理是通过内部总线实现对地址累加器和相位累加器的协调操作， 通过查找表的方式从数据存储器中读取输出数据并输出，也称为d d s ( 数字频率 合成) 方式，同时f p g a 芯片还支持在系统现场升级i 删。 2 0 0 7 年，中国南京航空航天大学的陈新和嵇保健提出了一种基于d s p 的 d c d c 控制器，运用状态空间平均法建立d c d c 变换器小信号模型，并以此为基 础进行系统稳定性分析和数字控制器设计。运用极点配置和数字仿真相结合的方 法得到传统p i d 控制器的参数，在此基础上分析了改进型的p i d 控制方法，如积 分分离p i d 、不完全微分p i d 和带死区p i d 。此外还针对参数自适应p i d 控制方 法进行了深入的研究【4 1 1 。 2 0 0 9 年，武汉大学的夏泽中和张晓菁设计实现了基于f p g a 的正弦信号发生 器及数字锁相环的模块并给出了仿真结果，根据数字化自然采样法的基本原理， 提出了一种基于e d a 技术的正弦脉宽调制( s p w m ) 全数字化解决方案。利用计数 器和通过查表的方法，得出一种生成数字化正弦信号的算法，并通过对正弦信号 的频率和幅值的调制，结合v h d l 硬件描述语言的设计灵活等特点，设计出基于 f p g a 的数字化正弦信号发生器【4 2 l 。 2 0 0 9 年，江苏大学的刘晓艳和景亮设计了一种基于f p g a 的高频p w m 开关 电源控制器，提出了采用混合p w m 方法实现高分辨率、高精度数字p w m 的设计 第1 章绪论 方案，并对各模块进行了仿真测试；用f p g a 开发板进行了一部分系统的仿真和 实际结果的检测，证实了可编程逻辑器件在直流开关电源控制器设计中的应用优 势【4 3 l 。 1 3 3 发展趋势 随着工业的高速发展，对能量的需求越来越大，太阳能和风能等清洁能源广 泛的使用推动了d c d c 变换器的发展，我们不难看到d c d c 变换器技术将向着 以下方向【4 4 一佑】快速发展： ( 1 ) 小型化。消费类电子产品在日常生活中扮演着越来越重要的角色，例如 手机、笔记本电脑、g p s 等逐渐进入大部分人的生活，随着电子产品的增多，占 据了大量的使用空间，人们开始寻求更小型的产品以减小行动负担。航空航天技 术的发展也将大量电子产品带到了外空间，在每一寸空间都代表巨大成本的太空 里，小型的d c d c 变换器显得日益重要。 ( 2 ) 模块化。目前市场上的电子产品种类繁多，并且数量巨大，我们的日常 生活中往往同时使用着多种电子产品，面对不同的终端，模块化的d c d c 变换器 能够减小系统的整体设计周期，提高不同系统之间的兼容性，有效地降低开发成 本和使用成本。 ( 3 ) 新型控制技术。由于使用场合的多样化和工作参量的灵活变化，传统的 模拟控制已经逐渐无法满足现代工业的应用，在实现数字控制器的基础上，新型 控制理论的提出和多种控制技术融合能够有效提高d c d c 变换器的速度和控制效 率。 ( 4 ) 新型的d c d c 变换器设计、测试技术。想要快速有效地设计出新型的 d c d c 变换器，设计软件和测试技术可谓是基础中的基础，新型的设计开发平台 有利于缩短开发周期，新型的测试技术有利于进行参数优化，提供可靠性预估等。 ( 5 ) 智能化d c d c 变换器。在许多应用场合中，用户无法在现场对d c d c 变换器进行检查和操作，结合嵌入式系统和多种数据接口的d c d c 变换器能够实 现更为智能、便捷、人性化的操作界面和控制方式，提高系统的使用效率。 黑龙江大学硕士学位论文 、i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1 4 本文主要研究内容 本文主要讨论了d c d c 变换器的整体设计流程，进行了从d c d c 的拓扑结 构、模型建立、参数设计到仿真分析、f p g a 验证、实物测试等一系列工作，给出 了一款输入为5 v 一1 5 v ，输出为9 v 的d c d c 变换器的整体设计方案。具体内容 安排如下： ( 1 ) 根据d c d c 变换器的基本结构和工作原理对其建立状态空间平均模型， 推导出其功率级的传输函数； ( 2 ) 对变换器的功率级、a d c 采样环节、p i d 控制环节、d p w m 调制环节的 具体参数设计； ( 3 ) 通过v e r i l o g h d l 语言和原理图结合的方式实现各环节的设计，并对各环 节进行仿真验证： ( 4 ) 系统硬件的原理图设计和p c b 板实现，并对系统实物进行测试和分析。 第2 章d c d c 变换器的基本原理和模犁分析 第2 章d c d c 变换器的基本原理和模型分析 2 1d c d c 变换器的基本原理 d c d c 变换器，也称为直流变换器，就是把已知的直流输入电压转换成所 需要的直流输出电压或相对于原电压值更易于进一步使用的直流输出电压m 。直 流变换器，是现代开关电源最核心的组成部分。本文的d c d c 变换器的基本结构 如图2 1 所示。 ， 图2 - 1d c d c 变换器的基本原理 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo fd c d cc o n v e r t o r 如图所示，直流输入电压加载到变压器的原边，当开关管开启时，电流通 过变压器原边线圈和开关管d s 极，当开关管关断时，变压器原边线圈中电流截止， 通过控制开关管的开启和关断，使变压器原边的电能以方波的形式送至变压器副 边，变压器副边的整流二级管和续流二极管对方波信号进行正半周整流，l c 滤波 电路对方波进行平滑处理，输出平稳的直流电压圪心a d 采样模块对输出电压进 行采样量化，输出电压与参考电压比较后得到的误差量送给p i d 控制器，控制器 经过数学运算后得到反馈控制量送给p w m 发生器，p w m 发生器产生一系列脉宽 可调的方波驱动功率级开关管对输出电压进行调整。 当d c d c 变换器的负载发生变化时，其输出电流也即电感电流会处在连续导 通模式( c c m ) 状态，或者非连续导通模式( d c m ) 状态m 。两者的不同之处在 于，当系统工作于稳态过程中时，在开关管关断的时候，连续导通模式下电感中 黑龙江大学硕十学位论文 的电流下降至某一大于零的谷值，然后立刻又随着开关管的开启而开始上升到峰 值，因此电感中的电流总是在大于零的范围内上下起伏，而非连续导通模式下电 感中的电流在开关管关断的时候下降至零后持续一段时间，然后再随着开关管的 开启从零上升到峰值，因此流经电感的电流并不总是大于零。下面将就两种工作 模式做详细介绍。 2 1 1 连续导通模式( c c m ) 连续导通模式下电路各点电压电流波形如图2 2 所示。 v d 1 - v 。o n t r 、， 2 1 n c 图2 - 2 连续导通模式波形图 f i g 2 2w a v ef o r mo fc c m 如图所示，在o 时刻，当开关管开启时，电流流过变压器的线圈，能量由原 边送至副边，副边电压跃变为峰值咒擘伽为变压器副边和原边的匝数比) ，由于电 感l 电流不能突变，因此流过整流二极管d j 的电流随着流过电感的电流的逐渐增 加而增加，流过电感的电流给电容c 充电，并向负载提供能量，这时候续流二极 管仍由于处于反向状态而截止。开关管开启期间电感的电压方程如式( 2 1 ) 所示： 圪硼圪一v o v o u t = _ l 等 ( 2 1 ) 可推出电感电流方程如式( 2 2 ) 所示： 第2 蕈d c d c 焚殃器的基本原理和模型分析 i ii i i f = 昙，( n 圪一二v o ) d t = ! 三半+ 嘣。 ( 2 2 ) 时刻电感电流达到峰值： jrc。=；!半r。-jjm；。 ( 2 3 ) 经i - t _ t o , 时间后，开关管关断。开关管关断瞬间，电感c a 流达到峰值，在开关 管管断后电感电流不能突变，而此时变压器副边电压已经跃变为0 ，整流二极管 d 1 处于反向状态截止，电感中储存的能量通过续流二极管仍所形成的回路继续给 负载提供能量，经过续流二极管的电流随着电感电流从峰值开始逐渐下降，此时 电容开始由充电转为放电以抑制输出电压的减小。开关管关断期间电感的电压方 程如式( 2 - 4 ) 所示： 圪= + “等 ( 2 - 4 ) 可推出电感电流方程如式( 2 5 ) 所示： 一扣以肌一华+ t 咖 ( 2 - 5 ) t o z 时nc a 感电流达到谷值： l 旆2 孥锄+ t 一 ( 2 - 6 ) 结合式( 2 3 ) 和式( 2 6 ) 可得： u 伽哌蠢 ( 2 7 ) 一v m l - o a ( 2 - 8 ) ；n v d ( 2 9 ) 如果忽略二极管压降v o ，则输入输出电压关系如式( 2 1 0 ) 所示： = n v , d ( 2 1 0 ) 黑龙江大学硕士学位论文 其中丁为开关周期，d 为占空比。由上述公式可以看出，在输入电压不变 的情况下，输出电压，与占空比d 成正比，因此，当输入电压虼减小时，增大 占空比d ，当输入电压增大时，减小占空比d ，能够使输出电压稳副4 羽。 由于流经电容c 的平均电流为零，因此电路中电感平均电流等于负载电流： 22 l ( 2 1 1 ) 2 1 2 非连续导通模式( d c m ) 非连续导通模式下电路各点电压电流波形如图2 3 所示。 v d l ； i ： 八卜i。 i l 一 一一一 列c 弋一溅：孓夕： ti 孑7 1 - - 1 - 一- - t o f f lt o 此 j kl l 1 r t o n 71 71 - 7 j i 一 k 五l a c 图2 - 3 非连续导遭模式波形图 f i g 2 3w a v ef o r mo fd c m 如图所示，在o 时刻，当开关管开启时，电流流过变压器的线圈，能量由原 边送至副边，副边电压跃变为峰值万幸似为变压器副边和原边的匝数比) ，由于电 感三电流不能突变，因此流过整流二极管d j 的电流随着流过电感的电流的逐渐增 加而增加，流过电感的电流给电容c 充电，并向负载提供能量，此时续流二极管 d j 由于处于反向状态而截止。开关管开启期间电感的电压方程如式( 2 1 2 ) 所示： 屹- ，l 吃一一g 上等 ( 2 1 2 ) 第2 章o c o c 变换器的基本原理和模型分析 可推出电感电流方程如式( 2 1 3 ) 所示： t = 丢厂( 以一一p z ，) 出= ! 三半 ( 2 1 3 ) 时刻电感电流达到峰值： ，。，=珂圪一一 l “ ( 2 1 4 ) 经过时间后，开关管关断。开关管关断瞬i 日- j ，电感电流达到峰值，在开关 管管断后电感电流不能突变，而此时变压器副边电压已经跃变为0 ，整流二极管处 于反向状态截止，电感中储存的能量通过续流二极管d 2 所形成的回路继续给负载 提供能量，经过续流二极管的电流随着电感电流从峰值开始逐渐下降，此时电容 开始放电以维持输出电压f 4 8 1 。开关管关断期间电感的电压方程如式( 2 1 5 ) 所示： 屹= + t5 也等 ( 2 1 5 ) 可推出电感电流方程如式( 2 1 6 ) 所示： 一三肥+ v o 甜) d t 一一半+ k ( 2 - 1 6 ) 锄时刻电感电流变为零： 。 。= 半”一 ( 2 1 7 ) 结合式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 7 ) 可得： + 硼吆焘 如果忽略二极管压降，则输入输出电压关系为： ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 )堂 n t p 圪 以 咒 = 牟 黑龙江大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i 宣i i i i l l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i v o u t = n 吃志 ( 2 2 1 ) 在非连续模式中，当电感电流在锄时刻下降到零后仍要保持一段时间锄， 所以t = t o 一+ f 砸+ 铆，其对应的占空比关系为1 = d + d 0 9 1 + d o f p 。 输出电流为： 输出电阻为： ，0a 掣一型镂型1 r 沼2 2 ， o 。一2 i 7 一u 匆上 、 厶 二ji ，l 尺；坠幺! ! ： 丝 i o( d + 1 ) t ( 2 2 3 ) 由上式可推出式( 2 2 4 ) 至( 2 2 6 ) ： 1 2 r + d o # i d r ；等 。2 + ，。一羔一o n 加+ j d 2 + 罢 t = 七 将式( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 0 ) 得： ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 2 2d c d c 变换器的模型分析 本文的建模方法采用目前较为广泛使用的在连续域中建模状态空间平均 法。在后续的建模与分析中，我们假设变压器、开关管、二极管以及电路中的其 他元器件皆为理想元器件。 螽 一 + 一 d 暑 吆 第2 章d c d c 变换器的基本原理和模犁分析 i _i i i i i ii ii i 2 2 1 变换器的状态空间平均模型 首先对电路在开关周期的导通状态和截止状态分别建立状态方程，状态向量 为x o ) = 【i l ( t ) v 以) 】t ( 其中屯( f ) 是电感电流，矿c g ) 是输出电容两端电压) ，输入向量 为“( r ) = i v 胁( f ) 】( 其中v 抽( f ) 为输入电压) ，输出向量为y ( f ) = 【i o ( t ) o ) 】t ( 其中i o ( t ) 为 输出电流，( f ) 为输出电压) ，可以得到变换器的近似平均状态方程如式( 2 2 8 ) 所示，输出方程如式( 2 2 9 ) 所示【4 9 】【5 0 l ： x = a x + b u t 2 - 2 8 ) y = c x + e u ( 2 - 2 9 ) 在开关周期的不同时刻，需要将系数矩阵中的不同分量与其所对应的不同占空 比相乘以获得平均值。本文中的开启时间为0 到d t ，关断时间为d t 到丁，可以 得出系数矩阵如式( 2 - 3 0 ) 至( 2 3 3 ) 所示： 1，k a = d a + ( 1 一d ) a 2 ( 2 3 0 ) b = d b j + ( 1 - d ) b 2 ( 2 3 1 ) c 。d c l + ( 1 一d ) c 2 ( 2 - 3 2 ) e = d e l + ( 1 一d ) e 2 ( 2 3 3 ) ( 1 ) 开关管开启状态 在任一开关周期中，开关管开启的时间是o 到d t ，电感l 两端的电压和流经 电容c 的电流如式( 2 3 4 ) 所示： 由式( 2 3 4 ) 和( 2 3 5 ) 推导得到状态方程如式( 2 3 6 ) 和( 2 3 7 ) 所示： ) 一 o|。 屹 叫一j删掣 卜 一 ) ，i f 味 讹 华学 ) 儿 沁 k i ，j2 j厶 )、-、 o t k 鲁 = 、-、 o o 乞吃 ，lj、l 为 程方 出 输其 黑龙江大学硕士学位论文 嘲=嘲+ 1 l o ( 2 3 6 ) 曼j ；】2 呈三 【羔甚j + 三 o ，】 c 2 3 7 ， 由式( 2 2 8 ) 和( 2 2 9 ) 可推导出式( 2 3 8 ) 至( 2 4 1 ) ： 4 =