以FPGA為基礎的通用IC控制器硬件模擬開發(fā)平臺設計

以FPGA為基礎的通用IC控制器硬件模擬開發(fā)平臺設計隨著電力電子技術的發(fā)展，離線開關電源在人們的日常生活中得到了日益廣泛的應用。在開關電源領域。各大半導體廠商對開關電源控制芯片的競爭也日趨激烈。因此，縮短控制芯片的開發(fā)周期及新產(chǎn)品的上市時間，是提高其競爭力的關鍵因素。在開關電源控制芯片的設計過程中，軟件仿真是系統(tǒng)方案論證的一個重要手段。而控制芯片的硬件模擬，因其能夠克服軟件仿真的一些缺點，日益受到人們關注。為此，筆者設計并開發(fā)了一套基于FPGA的通用開關電源控制器硬件模擬平臺?？刂破鞯倪壿嬰娐吠ㄟ^FPGA編程實現(xiàn)；控制器的模擬電路通過比較器、放大器等實現(xiàn)。通過此平臺對開關電源控制芯片進行硬件模擬，直接從硬件對控制器設計的技術方案進行論證確認，提高了控制器設計的可靠性，從而大大縮短其設計周期。1通用硬件模擬開發(fā)平臺的組成此通用IC控制器硬件模擬開發(fā)平臺主要由兩部分組成：數(shù)字電路部分（包括一塊FPGA開發(fā)板）和模擬電路部分（包括一塊模擬電路板、一塊參考電源板和一塊驅動電路板）。此平臺的結構框圖如圖l所示。1．1數(shù)字電路部分數(shù)字電路部分由Memec公司的Spartan-3LC開發(fā)板組成。此開發(fā)板基于Xilinx公司的Spartan-3系列FPcAXC3S400，主要包含有：1個50MHz的時鐘晶振、1個RS-232接口、1個USB2.0接口、4個LED、8個滑動開關、2個按鈕式開關、1個七段顯示器以及2個可擴展至109個用戶I／O的接口。Spartan-3系列FPGAXC3S400采甩90nm工藝技術，包含有40萬個系統(tǒng)門（Systemgates）、8064個等效邏輯單元（Equivalentlogiccells）、16個18×18專用乘法器、4個片上時鐘管理模塊（DCM）以及多達141個用戶I／O引腳。此開發(fā)板提供了強大的可編程數(shù)字邏輯功能。通過對FPGA的編程，可以實現(xiàn)各種所需的數(shù)字邏輯策略．從而可以很好地對PWM控制器的數(shù)字邏輯部分進行硬件模擬。1.2模擬電路部分模擬電路部分主要包括以下功能模塊：5V電源模塊、參考電壓模塊、通用加法電路模塊、通用放大電路模塊、通用比較電路模塊、數(shù)字軟啟動單元模塊、模擬軟啟動單元模塊、A/D模塊、驅動電路模塊等。通過對這些通用模塊及其他功能模塊的組合，可以實現(xiàn)對PWM控制器各種模擬電路單元的硬件仿真。限于文章篇幅，各個功能模塊的具體組成將不在此介紹。2開關電源控制器硬件模擬的實現(xiàn)通過對FPGA的邏輯功能編程以及模擬電路功能模塊的組合，可以實現(xiàn)開關電源PWM控制器各個功能模塊的硬件模擬，如振蕩器模塊、軟啟動模塊、PWM生成模塊以及保護電路模塊等。2．1振蕩器模塊的實現(xiàn)振蕩器模塊用來產(chǎn)生一定頻率的觸發(fā)脈沖，此模塊可以直接由FPGA得到。其原理圖如圖2所示。由外部晶振產(chǎn)生的50MHz時鐘信號經(jīng)過一次分頻模塊CLKDLL得到20MHz的時鐘信號，然后再經(jīng)過一個可以自由設定參數(shù)的二次分頻器，得到所需要的時鐘頻率信號。其中，一次分頻模塊CLKDLL為XJlinx公司的標準庫函數(shù)；二次分頻模塊利用VHDL語言編寫邏輯程序予以實現(xiàn)。2．2軟啟動模塊的實現(xiàn)為避免開關電源開啟時在輸入端產(chǎn)生過大的沖擊電流，其控制芯片內(nèi)部集成有軟啟動模塊。軟啟動電路有多種實現(xiàn)方法，利用通用硬件模擬平臺可以模擬出相應的軟啟動電路。2．2．1模擬式軟啟動電路此模式的軟啟動電路如圖3所示，由上拉電阻RSoft-Start和外加電容Css實現(xiàn)。當模擬平臺開啟時，5V基準源通過上拉電阻RSoft-Start向Css充電，軟啟動時間由時間常數(shù)決定，TSoft-Start=2T=2RSoft-Start；當模擬平臺關閉時，由FPGA產(chǎn)生Reset信號，開通Qss，使Css放電，以保證下次重新啟動模擬平臺時，Css的電壓從零開始上升。啟動過程的波形如圖4所示。2．2．2數(shù)字式軟啟動電路另一種軟啟動模式為數(shù)字式軟啟動模式。其設計思想是通過控制三個開關管的開通順序，得到一逐次上升的階梯形電壓VSofts，從而達到軟啟動的目的。軟啟動的時間可以通過切換時問△t確定，即TSoft-Start=7△t。啟動過程的波形如圖5所示。2．3PWM生成模塊的實現(xiàn)此硬件模擬平臺可以實現(xiàn)電壓型及電流型脈寬調制方式。電流型PWM發(fā)生器的實現(xiàn)電路如圖6所示，其開通信號由時鐘脈沖觸發(fā)；關斷信號由變壓器原邊電流信號和輸出電壓反饋信號決定。變壓器原邊的電流反饋信號（由采樣電阻經(jīng)CS端得到）放大后，與輸出電壓反饋信號（Reg）比較，當二者電壓信號相等時，PWM比較器翻轉，關斷PWM輸出脈沖信號。輸出脈沖的最大占空比由CLK信號的占空比決定。2．4保護電路模塊的實現(xiàn)為提高系統(tǒng)的可靠性，控制電路需要各種保護功能，如輸入過壓保護、輸入欠壓保護、開環(huán)狀態(tài)保護、過載保護以及峰值電流限幅保護等。保護功能模塊可以由比較電路實現(xiàn)。將監(jiān)測信號（如電源電壓Vcc、輸出電壓反饋信號VFB及電流反饋信號isense等）分別與給定的參考電壓進行比較，當被監(jiān)測信號超過參考電壓值時，錯誤比較器（ErrorCMP）將立即翻轉，并通過錯誤鎖存器（ErrorLatch）鎖定PWM輸出信號，從而達到保護功能。3實驗驗證及結果分析為了驗證此方法的可行性，筆者以Infineon公司的TDAl6888開關電源Demo板為基礎，利用通用硬件模擬平臺模擬控制芯片TDAl6888PWM控制級的功能，并對其部分控制策略進行相應的改進。TDAl6888PWM控制級的硬件模擬電路如圖6所示。功率電路板為200瓦多路輸出雙晶體管正激變換器，其結構簡圖如圖7所示。圖8和圖9為實驗波形圖。其中，圖8為軟啟動狀態(tài)的波形圖，通道1為CoolMOS門驅動信號。通道2為軟啟動電壓VSoftStart，通道3為反饋電壓Vrge，通道4為放大后的電流反饋信號Vrmp。從此波形可以看出，軟啟動過程大約為90ms。圖9為正常工作狀態(tài)的波形圖，通道l至通道4的信號與圖9相同。從此波形可以看出，門驅動信號的下降沿由反饋電壓Vreg和放大后的電流反饋信號Vrmp決定；其上升沿由固定頻率的時鐘脈沖電決定。實驗證明，此硬件模擬開發(fā)平臺可以很好地模擬電流型PWM控制器。針對開關電源控