《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 可編程邏輯 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于FPGA的高精度數(shù)字程控直流變換器設(shè)計(jì)
基于FPGA的高精度數(shù)字程控直流變換器設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
張根苗,,李 斌,,王 群,王 俊
中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 電子信息測試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 蚌埠233006
摘要: 精密儀器的快速發(fā)展對(duì)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,。
關(guān)鍵詞: 變換器 FPGA 精度 電子測量
中圖分類號(hào): TM93
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.165909
中文引用格式: 張根苗,,李斌,,王群,等. 基于FPGA的高精度數(shù)字程控直流變換器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,,43(11):139-142,146.
英文引用格式: Zhang Genmiao,,Li Bin,,Wang Qun,et al. Design of a high precision digital programmable DC converter based on FPGA[J].Application of Electronic Technique,,2017,43(11):139-142,,146.
Design of a high precision digital programmable DC converter based on FPGA
Zhang Genmiao,,Li Bin,Wang Qun,,Wang Jun
The 41st Institute of CETC,,Anhui Province Key Laboratory of Electronic Measurement Technology,Bengbu 233006,,China
Abstract: With the rapid development of precision instruments, the quality of converter is facing more and more pressure. In order to achieve a stable operation and high performance DC converter, a high precision digital programmable DC converter based on FPGA is proposed in the paper. The overall design program is presented, the major circuits and software design are discussed. The experiment results indicate that the DC converter has many advantages of high precision output, small ripple voltage, good stability, exceptional reliability and so on, which makes it suitable for electronic measurement field.
Key words : converter,;FPGA;precision,;electronic measurement

0 引言

    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(duì)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)變換器輸出電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集,,通過ADC電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字反饋信號(hào),,送入FPGA中進(jìn)行數(shù)字信號(hào)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(gè)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(hào)的非線性精確輸出,。

dy2-t1.gif

1.2 FPGA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(duì)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,。

dy2-t2.gif

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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換為V14集電極信號(hào)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(hào),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(hào)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(gè)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 BE結(jié)電壓,,V21導(dǎo)通,V22,、V39關(guān)斷,,輸出被限制。R404,、R405,、R406,、R407,、C324、C325將輸出信號(hào)引回輸入端,,為功率變換電路提供負(fù)反饋,,保證控制環(huán)路穩(wěn)定,并有效抑制輸出噪聲,。

dy2-t3.gif

2.2 DAC電路設(shè)計(jì)

    DAC電路如圖4所示,,將FPGA輸出的數(shù)字誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬誤差信號(hào),完成對(duì)功率變換電路的控制,。其中,,DA轉(zhuǎn)換器選用14位高速低功耗器件AD9744,工作頻率78 MHz,,完全滿足系統(tǒng)對(duì)精度和帶寬的要求,。運(yùn)算放大器N86和N87選擇高速低噪聲AD8021ARM,其鮮明特點(diǎn)是輸入失調(diào)電壓低,、轉(zhuǎn)換速率快,。AD9744和AD8021ARM的配置為功率變換電路提供了高速高精度的驅(qū)動(dòng)保障,。

dy2-t4.gif

2.3 ADC電路設(shè)計(jì)

    ADC電路將模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)提供給FPGA進(jìn)行處理,分為電壓ADC和電流ADC兩路,,但電路原理相同,,電路如圖5所示。AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)直接決定著系統(tǒng)分辨率和精度,,為此選用24位高性能器件AD7760,,輸入頻率為39 MHz。

dy2-t5.gif

3 軟件設(shè)計(jì)

    在數(shù)字直流變換器中,,硬件電路是軟件配置的基礎(chǔ),,軟件配置是硬件電路的靈魂,負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行管理,。圖6給出了數(shù)字直流變換器系統(tǒng)具體工作流程,。

dy2-t6.gif

    開機(jī)后,F(xiàn)PGA首先下載配置程序,,系統(tǒng)對(duì)電壓ADC和電流ADC寄存器進(jìn)行寫操作,,并對(duì)電壓檔位控制繼電器、電流檔位控制繼電器,、輸出繼電器等進(jìn)行初始化,。然后,系統(tǒng)進(jìn)入自檢和校準(zhǔn)模式,。如果系統(tǒng)自檢和校準(zhǔn)通過,,進(jìn)入下一步,否則軟件關(guān)斷輸出繼電器,。自檢和校準(zhǔn)完成后,,輸入系統(tǒng)電壓和電流設(shè)定值,并設(shè)定相應(yīng)的工作模式,,待電壓和電流反饋回路的檔位設(shè)定后啟動(dòng)主ADC和從ADC,,此時(shí)電壓和電流閉環(huán)控制建立,系統(tǒng)開始工作,。若沒有過壓或過流保護(hù),,那么系統(tǒng)對(duì)外輸出信號(hào),否則系統(tǒng)停機(jī),。系統(tǒng)工作時(shí),,軟件同時(shí)監(jiān)測依從ADC輸出,若依從ADC輸出大于設(shè)定值,,則系統(tǒng)自動(dòng)切換工作模式,。其中,主ADC和從ADC根據(jù)變換器工作模式而定。電壓源模式,,主ADC和從ADC分別為電壓ADC和電流ADC,;電流源模式,主ADC和從ADC分別為電流ADC和電壓ADC,。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    圖7中(a)~(i)是使用示波器測量得到的空載,、阻性負(fù)載和容性負(fù)載條件下,不同輸出電壓等級(jí)下實(shí)際紋波波形,,表1是其對(duì)應(yīng)電壓輸出值,。從表1中看出不論在何種負(fù)載條件下,數(shù)字程控直流變換器的輸出都是在一個(gè)比較小范圍內(nèi)變動(dòng),,輸出很穩(wěn)定且精度高,,高達(dá)萬分之六。同時(shí)對(duì)比圖7中紋波波形圖發(fā)現(xiàn)數(shù)字控制直流變換器的輸出紋波最大僅40 mV,,在容性負(fù)載條件下甚至小于10 mV,,且在同一負(fù)載特性下,輸出紋波幾乎不受輸出電壓影響,。

dy2-t7.gifdy2-b1.gif

5 結(jié)論

    本文闡述了數(shù)字程控直流變換器的設(shè)計(jì)方案,、硬件電路、軟件設(shè)計(jì),,給出了變換器的實(shí)際結(jié)果,。實(shí)際測量表明:使用FPGA為核心的數(shù)字電壓/電流閉環(huán)控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn),且變換器獲得了穩(wěn)定高精度的輸出,,其輸出紋波也非常小,,最小能達(dá)到10 mV。另外,,變換器減少了模擬器件的使用,,降低了硬件系統(tǒng)復(fù)雜度,能夠?qū)崿F(xiàn)精確的非線性控制,,避免由于器件參數(shù)變化,、失效等造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定度,,動(dòng)態(tài)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng),。因此在精密儀器和測試領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Keithley.A greater measure of confidence[DB/OL].www.keithley.com.cn.

[2] 王冠達(dá).基于DSP的數(shù)字開關(guān)變換器系統(tǒng)研究[D].天津:天津理工大學(xué),,2015.

[3] 堀切近史,,林詠.徹底改變電源的數(shù)字控制技術(shù)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2006(6):49-50.

[4] UPS發(fā)展將走向全數(shù)字化[J].電源世界,,2014(3):12.

[5] 于志輝.基于FPGA的多路輸出智能控制變換器設(shè)計(jì)[D].天津:天津大學(xué),,2012.

[6] 房志東.基于FPGA高頻數(shù)字開關(guān)變換器的設(shè)計(jì)[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2014.

[7] XIAO L L,,YA F W,,HUI F P,,et al.FPGA-based multi-wave pulse high power factor power supply[C].IEEE international Conference on Asia-Pacific Power and Energy Engineering(APPEE).2012:1-4.

[8] KURIMOTO Y.A high precision power supply for fast pulse current with a digital control system[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2016,,26(4):1-4.

[9] NAVARRO D,,LUCIA O,BARRAGAN L A,,et al.Synchronous FPGA-based high-resolution implementations of digital pulse-width modula-tors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,,2012,27(5):2515-2525.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。