數字程控直流變換器的總體設計方案闡述

數字程控直流變換器的總體設計方案闡述精密儀器的快速發(fā)展對直流變換器品質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計。實驗結果表明，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，能夠滿足電子測量領域的要求。傳統(tǒng)變換器采用模擬硬件實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，獲得穩(wěn)定的電壓和電流輸出。模擬控制實時反應系統(tǒng)狀態(tài)，響應速度較快，然而在測試技術領域和儀器產品中，模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性不能滿足實際需要。為了獲得高穩(wěn)定性能，需要添加大量元器件進行環(huán)路補償。而且，負載、環(huán)境變化以及反饋環(huán)路中元器件的寄生參數、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，在需要更快實時反應速度的高性能變換器系統(tǒng)中，模擬控制對輸入電壓和負載的復雜變化，很難實現(xiàn)良好的瞬態(tài)響應，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飛速發(fā)展，大量可編程數字芯片、微處理器不斷推出，數字控制變換器開始受到人們關注。直流變換器從模擬變換器時代進入數字變換器時代［3，4］。數字控制技術核心在于數字閉環(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)復雜度，實現(xiàn)精確的非線性控制，也避免了由于器件參數變化、失效等造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定度。同時，系統(tǒng)中使用數字濾波器實現(xiàn)控制環(huán)路的零極點自動補償功能，極大提高了環(huán)路控制性能。在數字直流變換器領域應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］，為此學者開始將重點轉移到FPGA上，例如文獻［7-9］。然而文獻［7-9］核心在于脈寬調制技術，本文提出一種新的設計方案，研究一種利用FPGA實現(xiàn)數字控制技術的程控直流變換器，實現(xiàn)了高穩(wěn)定的電壓、電流輸出。1方案設計1.1系統(tǒng)設計與傳統(tǒng)模擬循環(huán)控制直流變換器相比，數字控制直流變換器具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性，且能夠適應較復雜的動態(tài)負載。數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、數模轉換DAC電路、功率變換電路、檢測電路和模數轉換ADC電路。FPGA電路作為數字直流變換器控制核心器件，實現(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行采集，通過ADC電路轉換成數字反饋信號，送入FPGA中進行數字信號處理，與電壓和電流的數字設定值進行比較。FPGA數字處理后輸出電壓和電流數字混合誤差，經過一個DAC電路轉換為模擬誤差，進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設計FPGA選用XILINX公司XC3S2000-5FGG456C芯片，該器件不但擁有豐富的時鐘資源和I/O資源，而且可重復擦除性能好，調試簡單，編程方便，能夠很好地滿足本文設計的需要。FPGA控制原理如圖2所示，包括數字濾波、數字比較和數字積分三部分。其中數字濾波器和積分器是用戶根據負載不同進行配置。通過改變積分時間常數來調理直流精度、輸出響應。數字濾波器也是自定義補償的零極點濾波器，用于改變系統(tǒng)的相位，避免由于系統(tǒng)響應快速而出現(xiàn)過壓沖擊以及振蕩。數字濾波和數字積分構成系統(tǒng)的總體響應，針對不同的負載特性可以自定義數字濾波器和積分器，從而獲得理想的直流輸出。2主要硬件電路設計2.1功率變換電路設計功率變換電路是本文硬件電路設計的重點，主要是完成能量轉換，用于功率輸出或吸收功率，但同時影響著變換器的輸出紋波、噪聲、轉換效率和穩(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構成單入單出差分放大電路，將V13基極信號轉換為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擴大電路，其作用是為V19、V22提供適當的直流偏置以消除V19、V22交越失真。雙二極管V38向V39、V40提供一個適當的偏壓，保證V39、V40處于微導通狀態(tài)，防止V39、V40產生交越失真。V20、V21、R78、R95、R96和R179構成雙向電流保護電路，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結電壓，V20導通，V19、V40關斷，輸出被限制；反之，逆向輸出過流，R78兩端電壓大于V21