基于FPGA实现数字控制技术的程控直流变换器设计

0 引言

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满足实际需要。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、不一致性等因素在一定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，无法获得多状态下的稳定控制。

随着集成电路制造技术飞速发展，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人们关注。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，大大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比较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。

1 方案设计

1.1 系统设计

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，且能够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进行比较。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。

1.2 FPGA设计

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。

2 主要硬件电路设计

2.1 功率变换电路设计

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，显著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交越失真。双二极管V38向V39、V40提供一个适当的偏压，保证V39、V40处于微导通状态，防止V39、V40产生交越失真。V20、V21、R78、R95、R96和R179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。

2.2 DAC电路设计

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。

2.3 ADC电路设计

ADC电路将模拟反馈信号转换成数字信号提供给FPGA进行处理，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。

3 软件设计

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。

4 实验结果

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。

5 结论

本文阐述了数字程控直流变换器的设计方案、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/电流闭环控制技术能够实现，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，能够实现精确的非线性控制，避免由于器件参数变化、失效等造成系统的不稳定度，动态负载适应性强。因此在精密仪器和测试领域具有很好的应用价值。