数字程控直流变换器的总体设计方案阐述

数字程控直流变换器的总体设计方案阐述精密仪器的快速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。实验结果表明，该变换器具有输出精度高、纹波小、稳定性好和可靠性高等特点，能够满足电子测量领域的要求。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。1.2FPGA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