數(shù)字程控直流變換器的總體設(shè)計(jì)方案闡述

數(shù)字程控直流變換器的總體設(shè)計(jì)方案闡述精密儀器的快速發(fā)展對直流變換器品質(zhì)提出愈來愈高的要求。為了獲得穩(wěn)定高性能直流輸出，提出一種以FPGA為核心的數(shù)字程控直流變換器。介紹了該變換器的總體方案，給出主要硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器具有輸出精度高、紋波小、穩(wěn)定性好和可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿足電子測量領(lǐng)域的要求。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。檢測電路對變換器輸出電壓和電流信號進(jìn)行采集，通過ADC電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字反饋信號，送入FPGA中進(jìn)行數(shù)字信號處理，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)過一個DAC電路轉(zhuǎn)換為模擬誤差，進(jìn)入功率變換電路完成電壓、電流信號的非線性精確輸出。1.2FPGA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。通過改變積分時(shí)間常數(shù)來調(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基極信號轉(zhuǎn)換為V14集電極信號輸出，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，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，通過反饋其兩端電壓差來控制V20、V21通斷。一旦正向輸出過流，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，逆向輸出過流，R78兩端電壓大于V21