基于FPGA的高精度数字程控直流变换器设计

  中国电子科技集团公司第四十一研究所 电子信息测试技术安徽省重点实验室，安徽 蚌埠233006

  精密仪器的加快速度进行发展对直流变换器品质提出愈来愈高的要求。为了获得稳定高性能直流输出，提出一种以FPGA为核心的数字程控直流变换器。介绍了该变换器的总体方案，给出主要硬件电路和软件设计。实验根据结果得出，该变换器具有输出精度高、纹波小、稳定性高和可靠性高等特点，能够很好的满足电子测量领域的要求。

  中文引用格式：张根苗，李斌，王群，等. 基于FPGA的高精度数字程控直流变换器设计[J].电子技术应用，2017，43(11)：139-142，146.

  传统变换器采用模拟硬件实现闭环反馈控制，获得稳定的电压和电流输出。模拟控制实时反应系统状态，响应速度较快，然而在测试技术领域和仪器产品中，模拟系统稳定性不能够满足实际要。为了获得高稳定性能，需要添加大量元器件进行环路补偿。而且，负载、环境变化以及反馈环路中元器件的寄生参数、漂移、老化、不一致性等因素在某些特定的程度上影响着系统的稳定性[1，2]。因此，在需要更快实时反应速度的高性能变换器系统中，模拟控制对输入电压和负载的复杂变化，很难实现良好的瞬态响应，没有办法获得多状态下的稳定控制。

  随着集成电路制造技术快速的提升，大量可编程数字芯片、微处理器不断推出，数字控制变换器开始受到大家关注。直流变换器从模拟变换器时代进入数字变换器时代[3，4]。数字控制技术核心在于数字闭环控制算法通过软件配置完成，大幅度减少模拟器件的使用，降低了硬件系统复杂度，实现精确的非线性控制，也避免了由于器件参数变化、失效等造成系统的不稳定度。同时，系统中使用数字滤波器实现控制环路的零极点自动补偿功能，极大提高了环路控制性能。在数字直流变换器领域应用很成熟的控制芯片主要是MCU或DSP，但由于速度受限[5，6]，为此学者开始将重点转移到FPGA上，例如文献[7-9]。然而文献[7-9]核心在于脉宽调制技术，本文提出一种新的设计的具体方案，研究一种利用FPGA实现数字控制技术的程控直流变换器，实现了高稳定的电压、电流输出。

  与传统模拟循环控制直流变换器相比，数字控制直流变换器具有较高的稳定性、可靠性和灵活性，且能适应较复杂的动态负载。数字程控直流变换器电路框图如图1所示，主要由5个基本电路模块组成，分别是FPGA电路、数模转换DAC电路、功率变换电路、检测电路和模数转换ADC电路。FPGA电路作为数字直流变换器控制核心器件，实现电压闭环控制和电流闭环控制。检测电路对变换器输出电压和电流信号进行采集，通过ADC电路转换成数字反馈信号，送入FPGA中进行数字信号处理，与电压和电流的数字设定值作比较。FPGA数字处理后输出电压和电流数字混合误差，经过一个DAC电路转换为模拟误差，进入功率变换电路完成电压、电流信号的非线性精确输出。

  FPGA选用XILINX公司XC3S2000-5FGG456C芯片，该器件不但拥有丰富的时钟资源和I/O资源，而且可重复擦除性能好，调试简单，编程方便，能够很好地满足本文设计的需要。

  FPGA控制原理如图2所示，包括数字滤波、数字比较和数字积分三部分。其中数字滤波器和积分器是用户根据负载不同进行配置。通过改变积分时间常数来调理直流精度、输出响应。数字滤波器也是自定义补偿的零极点滤波器，用于改变系统的相位，避免由于系统响应快速而出现过压冲击以及振荡。数字滤波和数字积分构成系统的总体响应，针对不同的负载特性可以自定义数字滤波器和积分器，从而获得理想的直流输出。

  功率变换电路是本文硬件电路设计的重点，主要是完成能量转换，用于功率输出或吸收功率，但同时影响着变换器的输出纹波、噪声、转换效率和稳定度等性能，其电路图如图3所示。V12、R79、R80、C143、C145组成具有稳压功能的有源滤波器。利用V12的电流放大作用，将基极纹波抑制能力放大，大大减小滤波电容器的容量，明显提高了电路的滤波效果。V13、V14是差分对管，与R81、R82、R83、R85、R86构成单入单出差分放大电路，将V13基极信号转换为V14集电极信号输出，送入V16基极。V15、V18、V23、R84、R88、R89、R91、C146组成恒流源电路，提高放大电路输入阻抗，同时起抑制共模信号，提供电流的作用；其中V23是双二极管，为V15和V18提供偏置电压，并通过R84、R91设置恒流值。V16和R86组成共射极放大电路，映射V13基极信号变化。V17、R90、R409和R410组成VBE扩大电路，其作用是为V19、V22提供适当的直流偏置以消除V19、V22交越失线提供一个适当的偏压，保证V39、V40处于微导通状态，防止V39、V40产生交越失线构成双向电流保护电路，R78为电流监视电阻，通过反馈其两端电压差来控制V20、V21通断。一旦正向输出过流，R78两端电压大于V20的BE结电压，V20导通，V19、V40关断，输出被限制；反之，逆向输出过流，R78两端电压大于V21 BE结电压，V21导通，V22、V39关断，输出被限制。R404、R405、R406、R407、C324、C325将输出信号引回输入端，为功率变换电路提供负反馈，保证控制环路稳定，并有效抑制输出噪声。

  DAC电路如图4所示，将FPGA输出的数字误差信号转换为模拟误差信号，完成对功率变换电路的控制。其中，DA转换器选用14位高速低功耗器件AD9744，工作频率78 MHz，完全满足系统对精度和带宽的要求。运算放大器N86和N87选择高速低噪声AD8021ARM，其鲜明特点是输入失调电压低、转换速率快。AD9744和AD8021ARM的配置为功率变换电路提供了高速高精度的驱动保障。

  ADC电路将模拟反馈信号转换成数字信号提供给FPGA做处理，分为电压ADC和电流ADC两路，但电路原理相同，电路如图5所示。AD转换器的位数直接决定着系统分辨率和精度，为此选用24位高性能器件AD7760，输入频率为39 MHz。

  在数字直流变换器中，硬件电路是软件配置的基础，软件配置是硬件电路的灵魂，负责系统的运行管理。图6给出了数字直流变换器系统具体工作流程。

  开机后，FPGA首先下载配置程序，系统对电压ADC和电流ADC寄存器进行写操作，并对电压档位控制继电器、电流档位控制继电器、输出继电器等进行初始化。然后，系统进入自检和校准模式。如果系统自检和校准通过，进入下一步，否则软件关断输出继电器。自检和校准完成后，输入系统电压和电流设定值，并设定相应的工作模式，待电压和电流反馈回路的档位设定后启动主ADC和从ADC，此时电压和电流闭环控制建立，系统开始工作。若没有过压或过流保护，那么系统对外输出信号，否则系统停机。系统工作时，软件同时监测依从ADC输出，若依从ADC输出大于设定值，则系统自动切换工作模式。其中，主ADC和从ADC根据变换器工作模式而定。电压源模式，主ADC和从ADC分别为电压ADC和电流ADC；电流源模式，主ADC和从ADC分别为电流ADC和电压ADC。

  图7中(a)～(i)是使用示波器测量得到的空载、阻性负载和容性负载条件下，不同输出电压等级下实际纹波波形，表1是其对应电压输出值。从表1中看出不论在何种负载条件下，数字程控直流变换器的输出都是在一个比较小范围内变动，输出很稳定且精度高，高达万分之六。同时对比图7中纹波波形图发现数字控制直流变换器的输出纹波最大仅40 mV，在容性负载条件下甚至小于10 mV，且在同一负载特性下，输出纹波几乎不受输出电压影响。

  本文阐述了数字程控直流变换器的设计的具体方案、硬件电路、软件设计，给出了变换器的实际结果。实际测量表明：使用FPGA为核心的数字电压/电流闭环控制技术可以在一定程度上完成，且变换器获得了稳定高精度的输出，其输出纹波也非常小，最小能达到10 mV。另外，变换器减少了模拟器件的使用，降低了硬件系统复杂度，可以在一定程度上完成精确的非线性控制，避免由于器件参数变化、失效等造成系统的不稳定度，动态负载适应能力强。因此在精密仪器和测试领域具有非常好的应用价值。

  [2] 王冠达.基于DSP的数字开关变换器系统研究[D].天津：天津理工大学，2015．

  [3] 堀切近史，林咏.彻底改变电源的数字控制技术[J].电子设计应用，2006(6)：49-50.

  [5] 于志辉.基于FPGA的多路输出智能控制变换器设计[D].天津：天津大学，2012.

  [6] 房志东.基于FPGA高频数字开关变换器的设计[D].合肥：中国科学技术大学，2014.

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