（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga的高频数字dcdc变换器研究.pdf

上海大学硕士学位论文 关频率达到1 m h z ，得到了满意的系统性能，论文最后给出了仿真和实验结果。 关键词：f p g a ；d c d c 变换；数字控制；b u c k 模型；数字脉宽调制；数字补 偿器 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc o n v e n t i o n a lp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , c o n t r o l l e r sf o rd c d cc o n v e r t e r s a d o p ta n a l o g yc i r c u i t st oi m p l e m e n tv o l t a g ec o n t r o lo rc u r r e n tc o n t r 0 1 c o m p a r i n g w i t ha n a l o gc o n t r o l ，d i g i t a lc o n t r o lh a sd i s t i n c ta d v a n t a g e s t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rc a n r e a l i z es o m ec o m p l i c a t e dc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dh a sh i g h e rr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , a n d t h ei n t e l l i g e n ts y s t e m sc a nb ee a s i l yi m p l e m e n t e d h o w e v e r , d i g i t a lc o n t r o li s b a s i c a l l yl i m i t e dt o t h ef i e l do fp o w e rd r i v e s n o w a d a y s d u et oh i g hs w i t c h i n g f r e q u e n c y , t h ep e r i p h e r a lf u n c t i o n so fd c d cc o n v e r t e r sa r ec o m p l e t e dw i t hd s p o r m i c r o p r o c e s s o r , a n dt h ec o r eo fc o n t r o li n v o l v i n gg e n e r a t i n gp w m i si m p l e m e n t e d w i t hm o s te x c l u s i v ec o n t r o lc h i p i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e n p a i do nf p g ai n t h ed i g i t a lc o n t r o lf i e l db e c a u s eo fi t sr a p i d i t y , f l e x i b i l i t ya n d c o n f i d e n t i a l i t ye t c t h ep a p e rs t u d i e st h em o d e l i n g 、d e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h e s y n c - b u c kc o n v e r t e ra n dr e a l i z e si t sf u l l - d i g i t a lc o n t r o lw i t hx i l i n xv i r t e x - i i f p g ad e v e l o p m e n tb o a r d s t a r t i n gw i t ht h et h e o r ya n a l y s i so fb u c kc o n v e r t e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t a t e s p a c ea v e r a g em o d e la n ds m a l ls i g n a la n a l y s i sb a s e do ni t sp h y s i cc h a r a c t e r i s t i c s i n o r d e rt og a i ns w i t c h i n gp o w e rw i t hh i 出c a p a b i l i t y , t h ea u t h o ra d o p t sa n da n a l y z e s h y b r i dm o d e l f o l l o w i n gt h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e r , as y n c b u c kc i r c u i ts i m u l a t i o n m o d e li se s t a b l i s h e da n dr e s e a r c h e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k af i x e d p o i n t s i m u l a t i o nm e t h o di su s e db e c a u s et h ec o m p u t a t i o np r e c i s i o na n do v e r f l o wp r o b l e m s o f f l o a t i n g - p o i n ts i m u l a t i o nm e t h o da f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o na n da c h i e v e s s a t i s f y i n gr e s u l t s t h ep a p e rh i g h l i g h t st h ed i g i t a lc o n t r o lp a r t ，w h i c hc o n s i s t st h r e e m a i nm o d u l e s ：a d c 、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 ) 、d i g i t a lc o m p e n s a t o r ， a n dm a i n l ya n a l y z e sd p w ma n dd i g i t a lc o m p e n s a t o r , c l a r i f i e st h em a i np r o b l e m si n l l i g h f r e q u e n c yd i g i t a lc o n t r o lc o n v e r t e r , s u c ha sl o wr e s o l u t i o no fd p w m a th i 曲 f r e q u e n c yw h i c hr e s u l t si nl o wo u t p u tp r e c i s i o na n dl i m i tc y c l i n gp h e n o m e n o n , a n d c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ni n c r e a s i n gd p w mr e s o l u t i o n a n dh a r d w a r ew o r k i n gf r e q u e n c ya n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd p w mr e s o l u t i o na n d a i ) r e s o l u t i o n an o v e ls t r a t e g yo fi m p r o v i n gd i g i t a lp w mr e s o l u t i o nw h i c hu s e s i i i 上海大学硕士学位论文 s o f t w a r em e t h o dw i t h o u ti n c r e a s i n gs y s t e mh a r d w a r ef r e q u e n c yi sp u tf o r w a r di nt h e p a p e r i na d d i t i o n ，t h ea u t h o rd e s i g n st w od i g i t a lc o m p e n s a t i o n sa n ds e l e c t st h e a p p r o p r i a t ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h m t o i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c et h r o u g h c o m p a r i n ga n da n a l y z i n g f o l l o w i n gt h ec o m p l e t i o no ft h ed e s i g n ，t h ea u t h o rc a r r i e so u tt h es i m u l a t i o n w h i c hi si m p l e m e n t e db yf p g aw i t hs o f t w a r ei s e9 1i ，v e r i f i e st h ep r o p o s e dt h e o r y a n dc o n t r o la l g o r i t h m ，c o m p l e t e st h eb u c kh a r d w a r ep r o d u c t i o na n ds o f t w a r ed e s i g n b a s e do nf p g a ，a n da c h i e v e s s a t i s f y i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ew i t hu s i n g3 2 m h z c r y s t a lt or e a l i z e11 - b i td p w m r e s o l u t i o na t1m h zs w i t c h i n gf r e q u e n c y f i n a l l y , t h e p a p e rp r e s e n t ss i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t s k e y w o r d s ：f p g a ；d c - d cc o n v e r t e r ；d i g i t a lc o n t r o l ；b u c km o d e l ；d p w m ；d i g i t a l c o m p e n s a t o r i v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期： 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：雠导师签名：缒日期：至斗 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 开关电源的发展概况 随着电子技术的发展，现代社会越来越离不开电器设备，而电源是电器设备 的动力来源。绝大部分的电是由发电厂生产发送的，称为市电。而对于有些设备， 它们需要直流电才能正常工作，于是在这些设备里需要电能的变换，将交流电变 换成它们所需的直流电。 在六十年代以前，直流电源一般为线性稳压电源。 所谓线性稳压电源，是指在稳压电路中调整功率管工作在线性放大区。其工 作原理为：将2 2 0 v 、5 0 h z 工频电压首先经变压器隔离，再经过整流、滤波和线 性稳压，最后输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压，线性电源的 结构原理图如图1 1 所示。 畜 z zs 芏圭 1 一 ( 由昭 j ， 。倒_ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ 一 、 z szs 负 载 图1 1 线形稳压电源原理图 线性稳压电源具有以下优点： ( 1 ) 电源的稳定度较高，动态响应较好； ( 2 ) 电路结构简单； ( 3 ) e m i 小。 但是线性稳压电源的调整管在整个工作过程中一直工作在晶体管特性曲线 的线性放大区，而且调整管中流过所有的负载电流。所以调整管自身的功耗与输 出电流成正比。此外，在线性稳压电源的第一级中采用了工频变压器。通常这种 变压器的效率只能达到8 0 。这不但增加了电源的体积和重量还大大降低了电源 的效率。不仅如此，工作在工频状态下的线性稳压电源，工作频率较低，为了降 上海大学硕士学位论文 低输出电压的纹波，就必须加大输出滤波电容的容量。 由此可见，线性稳压电源具有以下缺点： ( 1 ) 功耗大，效率低； ( 2 ) 体积大，笨重，难以小型化。 1 1 1 开关电源技术 随着半导体技术的发展，电子设备趋于小型化，要求电源向高效率、高功率 密度、高可靠性发展，线性电源显然无法满足发展的需要，开关稳压电源s m p s ( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ) 应运而生。 开关电源基本原理如图1 2 所示： 图1 2 开关电源的基本构成 与线性稳压电源相比，开关稳压电源具有以下优点： ( 1 ) 功耗小、效率高。与线性稳压电源不同，开关稳压电源的开关管在驱动 信号的控制下，交替工作在导通和截止两种工作状态，而不是工作在线性放大区。 因此开关管上的导通压降接近于零，其损耗大大减低。 ( 2 ) 体积小、重量轻。因为用高频变压器取代了笨重的工频变压器，所以体 积、重量大大减小；此外，由于电源工作时耗散的功率大幅度降低，又可省去体 积和重量都较大的散热器。由于这两方面的原因，使得开关稳压电源的体积变得 更小，重量更轻。 ( 3 ) 稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由驱动信号的占空比来控制的， 输入电压的变化可以通过调节驱动信号的占空比进行补偿。这样，当电网电压波 动较大时，仍能保证比较稳定的输出电压，所以，开关稳压电源的稳压范围很宽。 目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合外，开关电源已经全面取代 2 上海大学硕士学位论文 了线性稳压电源 1 】。在中等容量范围内，开关电源逐步取代了相控电源，例如： 通信电源领域、电焊机、电镀装置等的电源。开关电源中的电子电路，也就是常 说的主电路，是开关电源的核一t l , 电路。对各种开关电源主电路的工作原理与适用 条件的分析是进行开关电源电路选型的基础，也是主电路和控制电路参数设计的 基础。 但是，开关稳压电源也存在一些缺点，其中较为严重的是开关干扰问题。在 开关稳压电源中，功率开关管在开通和关断的瞬间会产生尖峰电压和尖峰电流， 如不采取一定的措施进行抑制，这些干扰就会影响整机的正常工作【2 1 。 1 1 2 高频数字电源的发展趋势 随着开关电源应用的不断广泛和深入，实际工作中人们对开关电源提出了更 高的要求。随着应用技术的高频化，硬件结构的模块化，软件控制的数字化，新 一代开关电源的技术含量大大提高，开关电源变得更加可靠、经济和实用。其表 现为： ( 1 ) 高频化 随着大规模集成电路的发展，电子设备的体积己大为减小，相应要求电源的 体积和重量也要减小。开关电源的体积主要受储能元件和散热器的限制，在一定 的开关频率范围内提高开关频率可以大大减小储能元件的体积。将开关电源的开 关频率提高到2 0 k h z 以上，使开关电源工作在超音频状态下，可以大大减小音 频噪声。理论分析和实践经验表明，电气产品的体积重量随其供电频率的平方根 成反比地减小，所以当我们把频率从工频5 0h z 提高到2 0 0k h z ，提高40 0 0 倍的 话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的1 5 3 。这正是开关电源新技 术实现功率变频而带来明显效益的根本原因。开关电源的高频化是电源技术发展 的创新技术，开关电源的体积、重量主要是由储能元件( 磁性元件和电容) 决定 的，因此，开关电源的小型化，实质上就是尽可能减少其中储能元件的体积。在 一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸， 而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，另外开关电源的发展与应用在节约 资源及保护环境方面都具有深远的意义，因此，高频化是开关电源的主要发展方 向。 3 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 数字化 随着越来越多的数字技术应用于电源管理，开关电源智能化的浪潮逐渐席卷 全球。越来越多的数字设备( 如微处理器) 对电源性能和功能提出了更高的要求， 数字技术的不断发展以及控制器功能要求的不断增多，使得电源产业界十分看好 电源数字化的前景。数字化属于控制方面的重要发展方向，随着信息技术的突飞 猛进，将对电力电子技术的发展起到巨大推进作用。 近几年来，数字化电源在工业产品中的应用越来越受人们的关注，比如手机、 c d 机、m p 3 播放器等便携式产品中的小功率d c d c 电源。随着产品系统功能 的提升，对d c d c 变换器的效率、体积、稳定性、精确度、动态响应、散热性 都提出了更高的要求。这些因素迫使电源设计者需要不断地开发出效率更高、体 积更小、输出更精确更稳定、响应更快速、成本更低和上市时间更快的电源产 品。面对这些问题，传统的模拟控制解决方案正面临越来越多的局限性。而先进 的半导体工艺技术使开关器件速度更快、体积更小，输出电流密度更大，尤其是 最近几年v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 技术的飞速发展，为 d c d c 转换器数字化控制提供了一个全新的途径【3 1 。 从近年来电力电子学的重要国际会议上发表的论文来看，许多新型的功率变 换器采用了数字化控制策略，这代表了一个趋势。预计今后功率变换的数字化控 制将逐渐取代模拟控制，占据功率变换控制技术方面研究和开发的主导地位。为 此，紧跟国际电力电子技术发展趋势，建立电力电子装置数字化开发平台，将极 大促进电力电子技术数字化控制的研发。高频开关功率变换技术为现代电力电子 技术的核心技术之一，开关功率变换的数字化实时控制技术实现对于电力电子技 术的发展意义重大，是功率变换装置全面实现数字化控制的前提，将能够显著优 化功率变换技术，从而普遍提升电力电子装置的总体水平。目前国内外学术、工 程界对此均十分重视，我国在这方面的研究应予以加强。电力电子系统的实时控 制涉及电力电子学基础研究，是信息学科与电力电子学科的再次交叉，将形成电 力电子学一个重要的新学科方向。同时存在着巨大的发展潜力，将对电力电子技 术的发展起到极大的推进作用。 4 上海大学硕士学位论文 1 2 模拟控制器与数字控制器的比较 121 模拟控制器 模拟控制电源系统经过多年的发展，具有系统简单、成本底、可菲性高的优 点。许多高性能的d c d c 变换器通过无源器件产生的模拟信号进行设置和控制。 即使是具有最先进拓扑结构的高性能变换器，也还需要使用外部电阻、电容等设 置诸如启动时间、输出值及开关频率等参数。这些电阻、电容的值都是设计调试 时确定的，制造完成后不可轻易更改，因此自适应的电源管理方案也就不可能实 现。而且，为实现更多功能，就要设计更多的直接反馈电路，所以模拟控制环路 会变得非常复杂。 传统的模拟控制开关电源控制电路使用大量运算比较器、误差放大器和模拟 调节器等元器件来调整电源输出电压。图1 - 3 是一个典型的模拟控制b u c k 变换 器。它们由一系列经过试凑后相匹配的r 、l 、c 组成，占据了整个d c d c 电源 的很大一部分空间。这些元器件本身的值还会随使用时间、温度和其他环境条件 的变化而变动，从而对系统稳定性和响应能力造成负面影响。模拟控制的控制一 响应特性是由分立元器件的值决定的，它总是面向一个范围狭窄的特定负载，因 此无法为所有电压值或负载点提供最优化的控制响应。从效率的角度来看，模拟 控制电源本身的这些r 、l 、c 器件及诸多运放器需要消耗电能散发热量，因此 d c - d c 电源效率也受此影响。 关管 图1 - 3 模拟控制s m p s ( b u e k ) 上海大学碰学位论文 22 数字控制器 与模拟控制相比，数字控制开关电源d s n i p s ( d i g i t a l s w i t c hm o d ep o w e r s u p p l y ) 具有更大的优越性和灵活性，已经成为一个研究热点并备受关注。在开 关频率比较低( 2 0 k l 王z 以下) ，功率比较大的电力电子变换器中得到广泛应用， 例如电机驱动、不问断电源( u p s ) 等，其控制电路一般采用各种数字信号处理 器( d s p ) 或微处理器作为其控制核心。由于数字信号处理器或其他微处理器软 件采用串行执行方式，限制了其在高频电力电子变换器中的应用。因此，目前大 多数的开关电源仍采用模拟控制方案。有些厂商出于商业利益考虑，将微处理器 用于电源的外部显示、人机接口，组成所谓的“全数字控制电源”，其核心部分 仍采用模拟控制方法。由于数字控制的优越性，国际上有很多大学实验室和科研 机构正在积极进行真正意义上的数字控制开关电源的研究f 4 , 5 6 , 7 l 。f p g a 的发展为 开关电源的数字控制提供了新的途径。f p g a 具有编程灵活、执行速度快、易于 知识产权保护等优点。同时从v l s i 技术角度来看，f p g a c p l d 非常适合高频i c 设计，利用v h d l v e r i l o g h d l 编程、仿真、综合，可实现具有高级、复杂算法 控制的集成化d c - d c 变换器。在f p g a 集成i c 中分别实现了p i 、p i d 等控制 算法。图1 4 为基于f p g a 的数字控制b u c k 变换器。基于f p g a 的数字控制电 源，其数字控制方式对d c d c 电源本身的管理非常有利，文献1 8 , 9 1 提出了一种针 对不同负载时的功率消耗最小化管理模式；文献【1 ”提出一种非常适合小功率 d c d c 电源工作的管理模式。 ；! ! 一 一 ： 囤i - 4 基于f p g a 数字化控制s m p s ( b u c k ) 相对于模拟控制，数字控制有以下优点： ( 1 ) 数字控制可以实现各种复杂的控制策略，提高控制系统的性能。由于开 上海大学硕士学位论文 关器件的存在，功率变换器是强非线性系统。传统的模拟控制是在功率变换器近 似线性模型的基础上，利用线性系统的各种设计方法来设计补偿网络，这种方法 设计简单且容易实现。但随着对电源性能指标的要求不断提高，这种设计方法很 难提高系统的控制性能。 ( 2 ) 数字电源的运算特性使它更易于实现非线性控制( 可改善电源的瞬态响 应能力) 和多环路控制等高级控制算法；更新固件即可实现新的拓扑结构和控制 算法，更改电源参数也无须变更板卡上的元器件，使得控制系统的灵活性大大提 高。 ( 3 ) 数字控制系统具有很强的抗干扰能力。模拟元器件易受环境和温度变化 影响，所以模拟控制器稳定性差。数字电源不存在模拟电源中常见的误差、老化 ( 包括模拟器件的精度) 、温度影响、漂移、补偿等问题，无须调谐、可靠性好， 可以获得一致、稳定的控制参数，比模拟控制器更稳定可靠，具有很强的抗干扰 能力【1 1 】。数字控制还能让硬件平台重复使用，通过设计不同固件即可满足各种最 终系统的独特要求，从而加快产品上市，减少开发成本、元器件库存与风险。 总之，对功率变换器采用数字控制方法大大提高了变换器的控制性能、灵活 性等，变换器的性能主要由软件来决定，而不是在于大量离散元器件的参数，这 就意味着成本和空间的节省以及实现复杂算法的能力。数字控制的这些优点大大 提高了功率变换器的综合性能，由模拟控制向数字控制的转变是电力电子功率变 换器的一大发展趋势。 1 3 基于f p g a 的d c - d c 变换器数字化控制设计 1 3 1 基于f p g a 的数字逻辑电路设计 随着开关电源高频化发展，一般单片机的时钟频率有限，由于p w m 输出频 率和精度成反比，无法产生足够频率和精度的p w m 输出信号。传统d s p 芯片 是实时信号处理的最佳选择，其功能强大，可以快速有效地实现各种复杂的控制 算法，例如：基于t ic 2 0 0 0d s p 可编程t m s 3 2 0 f 2 8 x 控制器的数字电源产品价 格比较高，应用范围比较窄。由于d s p 不是专门的电源控制芯片，一般的电源 应用对其芯片资源的利用率不高，另外，它毕竟是一个串行结构，进行复杂运算 7 t * 学顿学位论文 时可能来回循环很多次。因此速度反而不是很快当开关电源开关频率达到 l m h z 或更高时( 目前国际上已有学者做到开关频率达到1 0 m h z ) ，也就是说至 少在i u s 或更短时间范围内，数字芯片要完成并行处理乘法和加法等逻辑运算， 目前的d s p 或微处理器芯片不可能实现。 f p g a 数字可编程器件的出现解决了这一问胚随着9 0 和6 5 纳米工艺的采 用，f p g a 在成本、功耗和性能上得到大幅度地改善，具备成为系统核心的条件： 另外。需要复杂和大量数据并行处理时，d s p 不如f p g a ，返就为且有强大井行 处理能力的f p g a 带来了需球。f p g a 是固有的并行处理结构，包含了几百个 m a c 单元，因此性能远远高于传统的d s p 芯片，除此之外，f p g a 还具有很好 的灵括性，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是运用硬件描述语言自由地 设计一个数字系统。f p g a 几乎能完成任何数字器件的功能，所毗基于f p g a 的 数字化控制设计不受芯片硬件条件的限制。鉴于以上f p g a 的优点，当前国内外 的很多大学实验室和科研机构都在使用f p g a 进行d c d c 变换器的数字化控制 设计，例如：c o l o r a d o 大学已经在f p g a 上实现了数字控制器的版图设计如图 1 5 所示。 幽1 - 5 彀孚控制赫任f p ( j a 上的j 授豳设计 在数字化、信息化的时代，数字集成电路应用非常广泛。a s i c 的出现降低 了产品的生产成本提高了系统的可靠性，减少了产品的物理尺寸，推动了社会 的数字化进程。但是a s i c 因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约 着它的应用范围。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要，在实验 室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使用。这就是 上海大学硕士学位论文 可编程逻辑器件提出的基本思想。 f p g a c p l d 既继承了a s i c 的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克 服了普通a s i c 设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬件 电路设计的理想首选。当代f p g a c p l d 有以下特点： ( 1 ) 规模越来越大。随着v l s i 工艺的不断提高，f p g a 芯片的规模也越来越 大。单片逻辑门数已愈百万，如x i l i n xv i r t e x i ip r ox c 2 v p l 2 5 己经达到1 2 5 0 万 门以上的规模。芯片的规模越大所能实现的功能就越强，同时也更适应于实现片 上系统( s o c ) 。 ( 2 ) 开发过程投资小。f p g a c p l d 芯片在出厂之前都经过1 0 0 的测试，而 且f p g a c p l d 设计灵活，发现错误时可直接更改设计，减少了投片的风险，节 省了许多潜在的花费。 ( 3 ) f p g a c p l d 开发工具智能化，功能强大。应用各种工具可以完成从输入、 综合、实现到配置芯片等一系列功能。还有很多工具可以完成对设计的仿真、优 化、约束、在线调试等功能。这些工具易学易用，可以使设计人员集中精力进行 电路设计，快速将产品推向市场。 1 3 2v h d l 硬件描述语言 v h d l 的英文全名是v e r y曲 ，被认为是标准硬_h件i描述sp语ee言d，in有te专gra家ted认为c，irc在uit新世ha纪rdw中a，redescriptionl a n g u a g e v h d l 与v e r i l o gh d l 语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多 具有硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般 的计算机高级语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体( 可 以是一个元件、一个电路模块或一个系统) ，分成外部( 或称可视部分，即端口) 和内部( 或称不可视部分) ，即设计实体的内部功能和算法完成。在对一个设计 实体定义了外部界面后，一旦内部开发完成，其他的设计可以直接调用这个实体。 这种将设计实体分成内外部分的概念是v h d l 系统设计的基本点。使用v h d l 设计系统方法是自顶向下的系统设计方法【1 2 1 ，在设计过程中，首先是从整体上对 系统设计作详细的规划，然后完成电路系统功能行为方面的设计。 9 上海大学硕士学位论文 图1 - 6 为自顶向下( t o p d o w n ) 的示意图，以设计树的形式绘出。 系统级设计 厂一 模块a 模块b模块c 八 i 模块a l 模块a 2模块b 1模块b 2 模块c l 模块c 2 图1 - 6t o p d o w n 设计思想 随着e d a 技术的发展，使用硬件语言设计f p g a 成为一种趋势。使用 i s e 9 1 i 软件用v h d l 语言开发f p g a 的完整流程如图1 7 ： 图1 7f p g a 设计流程 1 4 论文的主要研究内容及章节安排 本文研究基于f p g a 的全数字同步整流b u c k 变换器的分析、设计及实现。 该变换器的输入电压为3 3 v ，输出电压为1 5 v ，负载电流为5 0 0 m a ，输出电压的 波动范围为3 0 m v 。该项目为上海大学与法国里昂国立科学应用学院( i n s ad e l y o n ) 的合作科研项目。本论文的主要研究内容及章节安排如下： 第一章对开关电源及数字控制的发展作了综述。第二章分析了同步整流 b u c k 电路的工作原理，建立了数字控制b u c k 变换器数学模型。第三章介绍了数 1 0 上海大学硕士学位论文 字控制b u c k 变换器的补偿电路设计，介绍了直接设计及间接设计方法，设计了 该变换器的数字补偿器。第四章对d c d c 变换器数字控制的关键问题作了分析， 特别对a d 转换及d p w m 作了深入的研究，给出了d p w m 分辨率及a d 分辨 率的关系以及d p w m 分辨率的提高与系统硬件工作时钟的关系，提出了一种在 不提高系统硬件工作时钟的情况下，提高d p w m 分辨率的方法，并给出基于 m a t l a b s i m u l i n l ( 及x i l i n x i s e 9 1 i 的仿真结果。第五章给出了仿真及实验结果， 在硬件电路制作的基础上，采用x i l i n x 公司的f p g a v i r t e x i ip r o 开发器构 建了实验平台，对前述分析作了后仿真及实验研究。 上海大学硕士学位论文 第二章数字控制b u c k 变换器数学模型 d c d c 变换器的电路通常由主电路和控制电路两大部分所组成，在本章中， 主要讨论b u c k 变换器主电路的模型设计。 2 1b u c k 变换器原理 降压斩波电路的原理图及主要工作波形如图2 1 所示。图2 1 ( a ) 所示为由 m o s f e t 开关管s 1 、续流二极管d 1 、电感元件l 、电容c 和负载r 组成的b u c k 变换器电路图。电路完成把直流电压k 转换成直流电压圪的功能。 当t = 0 时刻，驱动s 1 导通，电源k 向负载供电，续流二极管两端电压 = 圪，负载电流乞按指数曲线上升。 当t = 厶时刻，控制s 1 关断，负载电流流经二极管d 1 续流，电压近似为零， 负载电流指数下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串联l 值较大的电感。 直下一个周期t 结束，再驱动s l 导通，重复上一周期的过程。当电路工作 于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。设开关闭合时间为t o = d l 丁， 开关断开时间o = d 2 丁，称q 为接通时间占空比，体现了开关接通时间占周期 的百分值，称及为断开时间占空比，体现了开关断开时间占周期的百分值。 若负载l 值较小，则在s 1 关断后，到了厶时刻，如图2 - 1 ( c ) 所示，负载 电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。 v ( a ) b u c k 电路拓朴结构 1 2 上海大学硕士学位论文 l i i t 。n 7 一t 。f f i 。 一 t lt z t l v s 址 ( b ) 电感电流连续( c ) 电感电流断续 图2 1 降压斩波电路的工作波形 2 2b u c k 变换器参数设计 2 2 1 主要概念 开关稳压器利用无源磁性元件和电容元件的能量储存特性，从输入电压源获 取分离的能量，暂时把能量以磁场的形式存储在电感器中，或以电场的形式存储 在电容中，然后将能量转换到负载，实现d c d c 变换。 实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术，目前大多采用p w m ( 脉 冲宽度调制) 技术。从输入电源提取的能量随脉宽变化，在一固定周期内保持平 均能量转换。p w m 的占空比d 是“0 ”时间( 0 ，从电源提取能量的时间) 与总 开关周期( t ) 之比。对于b u c k 开关稳压器，其稳定的输出电压正比于p w m 占 空比。 随着频率的提高，在相同的输出功率下，所要求的电感相应减小。由于电感 与磁性材料的面积和线匝数有关，因而可减小电感器的物理尺寸。 类似地，储能电容器也可实现类似的尺寸减小。元件尺寸的减小对于电源 设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的，可使得开关电源占用较小的体积 和印刷电路板面积。 1 3 上海大学硕士学位论文 2 2 2 变换器参数设计 电感选择应保证在输出最小电流( 通常为额定电流的1 1 0 ) 情况下，电感电 流也仍保持连续。如图2 - 1 ( b ) 所示，直流电流等于电感电流斜坡峰一峰值( 厶一厶) 一半时对应临界连续，则厶( 劬) = o 1 l = 厶- 4 1 2 或1 2 一= d = 0 2 i 硼。其中，d 为斜坡峰值， 临界状态时， 1 d ：攀：冬 ( 2 1 ) 22 r 整理得 掣：昙 ( 2 2 )- - = 一 i z 上- 2尺 该l 定义为临界电感，可表示为 t = 丝2 = 警鲁2 丢) ( 2 3 ) 。 2 l2 l2 z 、 “ 式中锄开关管关断时间； v o 输出电压； z 开关工作频率，z ：i 1 ； 尸变换器输出功率，= l v o 。 丘是保证输出最小电流时对应的临界电感值，而此时的电流值通常为 额定电流的1 1 0 ，所以可知b u c k 变换器在额定电流工作时，即l 对应的电 感为： h 岭豸) ( 2 4 ) 本文所设计的b u c k 变换器的输入电压为3 3 v ，输, q 4 电压1 5 v ，等效负载 电阻r = 3 1 1 ，开关管工作频率为1m h z ，将上述参数带入到式( 2 4 ) ，可得满足输 出最小输出电流时的电感= 曩聂苦妻= 8 2 1 0 - 6 f ，实际电路中取 1 4 上海大学硕士学位论文 l = 1 0 x 1 0 q l a f 。 流经电答的电流是f c ，。e 对电答充电产生的电j 盘a v o 称为纹坡电压，输出滤 波电容的选择必须满足输出纹波的要求【1 1 。 = 去一瓦v o d 万2 t 2 ( t 2 t 1 ) t =( 2 5 ) 2 荔一瓦万 ( 2 5 ) 得到： c ：型芝 ( 2 6 ) 8 l a v 、 根据设计需要，输出电压纹波a v o = o 0 0 3 v ，带入上述参数，得到 c ：旦墅尘旦篓掣堡：3 4 f ，实际电路中取c ：2 2 f 。 8 1 0 1 0 一o 0 0 0 33 3 。 。 。 2 3 同步整流技术 由于现代高速超大规模集成电路的尺寸不断减小，并要求功耗不断降低，供 电电源的电压也随之要求越来越低。过去输出电压为3 - 5 v 的d c d c 开关变换 器，采用肖特基硅二极管( s b d ) 、快速恢复开关二极管( f r d ) 等作为输出整 流管，其正向电压降约为0 4 v - - 0 6 v ，甚至达1 v ，大电流时的通态功耗很大， 在输出电压低于3 v 的开关变换器的总损耗中，该二极管的功耗在总功耗中占很 大比重，例如达5 0 。 对整流二极管的功耗分析如下： 设d c - d c 变换器输出电压为v o ，电流一定时，输出整流管正向压降为。 已知最e o = j r o ，弓与昂分别为二极管功耗及d c d c 变换器输出功率。 对于某些变换器以= i o ，故有昂蜀= v ，v o ，即v ，v o 反映了功率比耳昂大小。 表2 1 给出了s b d ( = 0 4 v ) 用做d c d c 变换器的输出整流管时，按上式计算 弓昂与v o 关系。 上海大学硕士学位论文 表2 - is b d ( = o 4 y ) 用作输出整流管时i x 一d c 变换器最e o 与关系 5 v3 3 v1 8 v1 5 v p f | 氏 8 1 2 2 2 2 6 6 6 由表2 - 1 可见，在d c d c 变换器中应用s b d ( v f = 0 4 v ，并且厶= 厶) 作为 输出整流管时，越低，p , - 4 越大，降到1 5 v 时，昂昂可达2 6 6 6 。经 验表明，用s b d 作为低电压输出d c d c 变换器的整流管，其功耗可能占变换器 全部功耗的5 0 - - - 6 0 。 低电压功率m o s f e t ( 以下简称功率m o s 管) 的通态电阻心以及正向压 降很小，例如，= 2 0 a ，功率m o s 管的正向压降= o 1 2 v ，通态电阻6 m q ， 功耗2 4 w i 而二极管的正向压降= 0 3 4 v ，功耗6 8 w 。因此低电压大电流输 出d c d c 变换器中，用巧= o 1 v 的功率m o s 管代替整流管，可提高d c d c 变 换器的效率。表7 5 给出功率m o s 管( = 0 1 v ) 用做d c - d c 变换器的输出 整流管时的弓昂与v o 关系。 表2 - 2 用功率m o s 管( = o 1 y ) 整流时d c - d c 变换器斥昂与关系 3 3 v 1 8 v1 5 v p f | 民 3 5 5 5 6 6 6 由表2 2 可见，即使d c d c 变换器输出电压降为1 5 v ，用功率m o s 管整流 时，昂昂也只有6 6 6 。 从2 0 世纪8 0 年代初开始，国际电源界研究开发同步整流技术，用通态损耗 低的功率m o s 管反接，代替f r d 或s b d 用于低电压大电流输出的d c d c 变 换器中，称为同步整流管s r ( s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r ) t 1 1 ，以后陆续研究开发了同步 整流低压输出d c d c 变换器及其驱动方法。随着d c d c 变换器的输出电压不 断降低，同步整流技术的应用已引起了人们的极大重视。带同步整流的b u c k 变 换器如图2 2 所示。 1 6 上海大学硕士学位论文 v i 图2 2b u c k 整流i 司步变换器 与s b d 相比，用同步整流技术的优点是：正向压降很小，阻断电压高，反向 电流小等。现在在低输出电压的d c d c 变换器已普遍采用s r ，使正向电压诈降 低到原来的1 2 1 3 。 图2 3 所示为整流二极管和n 沟道功率m o s 管的电路图形符号。整流二极管 有两极：阳极a 和阴极k 。功率m o s 管有三个极：漏极d 、源极s 和门极g 。用做 s r 时，功率m o s 管的源极s 相当于二极管的阳极a 、漏极d 相当于二极管的阴极k 。 源漏间有一个寄生二极管( 或称体二极管) ，驱动信号加在门极和源极( g s ) 间。 因此s r 也是一种可控的开关器件，提供适当的驱动控制，实现整流。但这时候 m o s 管是反接的，与作为开关使用时是完全不同的。 d ( 漏撮) 州嘲l 图2 3 整流二极管和n 沟道功率m o s 管 m o s f e t