基于FPGA的数字控制DC-DC变换器的研究与设计

华中科技大学硕士学位论文基于FPGA的数字控制DC-DC变换器的研究与设计姓名：张浩申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：邹雪城20090525华中科技大学硕士学位论文摘要数字电源管理与传统的模拟电源相比具有灵活变换、精确控制、实时监控、稳定可靠的特点，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应用。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。本文的主要内容是研究和设计一个基于FPGA采用电压反馈PWM控制模式的数字控制BUCK型DC-DC变换器，包括功率级设计，ADC参数分析，积分分离数字PID控制器的设计和DPWM发生器的设计。功率级的分析和设计是根据设计指标确定功率级的滤波器参数，通过状态空间平均模型建立系统的小信号模型，推导小信号传递函数，并以功率级设计为基础确定ADC的分辨率和采样率；积分分离数字PID控制器是通过先设计连续域的PID控制器，通过零极点匹配方法转换成离散域积分分离PID控制器并用查表的方式在FPGA上实现。DPWM发生器的设计是根据系统精度要求，确定分辨率要求，采用基于延迟-计数混合的方式设计并通过FPGA验证。所设计的BUCK型数字控制DC-DC变换器系统的验证是先通过Simulink建立系统模型验证控制器的环路补偿特性和系统的稳定，然后将FPGA与BUCK电路相结合，进行测试。测试结果为电源系统的输出电压稳定，纹波系数为2.6%，在负载电流从1A突变到1.5A的情况下输出电压的恢复时间约为100sμ，总体性能达到预期设计目标。本文的分析方法和设计流程可以为ASIC芯片的设计提供指导。关键词：数字电源积分分离数字PID控制器DPWM发生器I华中科技大学硕士学位论文AbstractComparedtothetraditionalanalogpowermanagement,thedigitalpowerhasadvantageofflexibleform,accuratecontrolreal-timesupervisingandbetterstability.Inthepastfewyears,digitalpowersustainedrapiddevelopmentandplayedanirreplaceableroleinseniorpowermanagementapplication.Asmoreandmoreinternationalpowerdesigncompaniesshowgreatinterestindigitalpowermanagement,itisoccupyingthefocusofpowerdesign.ThemaincontentofthispaperisthestudyanddesignofBUCKDC-DCconverterusingthevoltagefeedbackcontrolbasedonaFPGAdevelopmentboard.Itincludesthedesigningofpowerstage,theanalysisrequirementdetailsoftheADC,thedesigningoftheintegralseparationdigitalPIDcompensatorandthedesigningoftheDPWMgenerator.Accordingtheanalysisofpowerstagepurpose,designanadaptiveLandC.UsingtheStatespaceaveragingmethod,derivethesmallsignalmodelofpowerstageandtransferfunction.Onthebasisofthat,selecttheadaptivesamplerateandresolutionratioofthediscretedeviceofADC.ThefirststepofthedesigningofintegralseparationdigitalPIDCompensatorisdesigningacontinueformcompensatortransferfunction,andthesecondstepistransformittothediscreteformbyZero-PoleMatchingmethod.Thentheimplementusesthelook-uptableinaFPGA.TheimplementofDPWMgeneratorisusingthehybriddelay-counterframeintheFPGAtoo.Thetestofthedesigninghastwosteps.ThefirstistestingandcorrectinginasystemSimulinkmodel.Inthispart,thecompensationeffectcanbedisplayedintheSimulinktoolofMatlab.Thesecondistestingcircuitbyanoscillograph.Theoutputvoltageisstableandtherippleratiois2.6%.Whentheloadcurrentstepsfrom1Ato1.5A,therecoverytimeofoutputvoltageisabout100sμ.ThedesignoftheDC-DCconverterissuccessful.InadditiontheanalysisanddesigningmethodcanbeareferenceofASICchipdesign.Keywords:digitalpowerintegralseparationdigitalPIDcompensatordigitalPWMgeneratorII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在____________年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1电源管理简介电源作为电子产品工作的动力，其质量直接影响电子设备的性能以及使用寿命。各种各样的电子产品规格也是不尽相同，额定工作的电压和电流也都是不全一致的，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，恒定的工作电流，并且在负载发生变化时候电源输出特性能昀好不受影响，或者能尽量减小影响，在昀短的时间调整回到额定状态，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分为通常把电力分为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]，如表1-1所示。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。电力电子电路种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变换器设计昀为基础，应用昀为广泛，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]。特点如表1-1所示。1华中科技大学硕士学位论文表1-1三种DC-DC电源工作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能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，反转高高高电感，电容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。如果将所需的高耐压的开关晶体管能集成到器件中，减少了外围器件，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[4]。这种类型的开关电源的特点是效率高，负载电流大，但是纹波比低压差线性稳压器大，且通常所需大小的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，减小了外围电感要求。在这三种DC-DC电源中，以这种开关电源应用昀广泛，发展潜力昀大，本文所研究的DC-DC开关变换器也是这种。1.2电源管理的发展趋势电源管理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[5]，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。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2华中科技大学硕士学位论文器，基准电压源等电路，对工艺、器件稳定特性要求较高，而且模拟电路稳定性较数字电路也更不可靠，更容易受到老化、温度等的干扰。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，电源设计人员不再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管理的想法。其目标就是将电源管理功能用数字方法设计，并实现智能、高效的转换与控制甚至还包括通信[6]。1.3数字电源的现状和设计问题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的反馈回路进行控制，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采样反馈的输出电压或者电流量，根据采样误差通过数字控制算法计算出合适的占空比，再经过DPWM发生器产生对应占空比大小的开关控制信号，调整输出电压为设置的值。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，处理效率较高，输出的PWM控制信号分辨率可以达到数百皮秒。此外在开发平台的支持下，可以添加实时监测报警系统，设置控制系统的响应特性，添加通信总线等等。但是这种解决方案的数字电源产品的价格普遍较高，目前也仅限于高端应用[7]。综合1.2和1.