文獻標識碼： 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計[J].電子技術應用,，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.
0 引言
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(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(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注,。直流變換器從模擬變換器時代進入數(shù)字變換器時代[3，4],。數(shù)字控制技術核心在于數(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)復雜度,，實現(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,，系統(tǒng)中使用數(shù)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(shù)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(shù)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(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,，且能夠適應較復雜的動態(tài)負載。數(shù)字程控直流變換器電路框圖如圖1所示,，主要由5個基本電路模塊組成,，分別是FPGA電路、數(shù)模轉換DAC電路,、功率變換電路,、檢測電路和模數(shù)轉換ADC電路。FPGA電路作為數(shù)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(shù)字反饋信號,，送入FPGA中進行數(shù)字信號處理,，與電壓和電流的數(shù)字設定值進行比較。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,。
1.2 FPGA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(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)負載不同進行配置,。通過改變積分時間常數(shù)來調理直流精度,、輸出響應。數(shù)字濾波器也是自定義補償?shù)牧銟O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(shù)字濾波和數(shù)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(shù)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?shù)闹绷髌靡韵齎19,、V22交越失真。雙二極管V38向V39,、V40提供一個適當?shù)钠珘?，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 BE結電壓,，V21導通,，V22、V39關斷,，輸出被限制,。R404、R405,、R406,、R407、C324,、C325將輸出信號引回輸入端,，為功率變換電路提供負反饋，保證控制環(huán)路穩(wěn)定,，并有效抑制輸出噪聲,。
2.2 DAC電路設計
DAC電路如圖4所示，將FPGA輸出的數(shù)字誤差信號轉換為模擬誤差信號,，完成對功率變換電路的控制,。其中，DA轉換器選用14位高速低功耗器件AD9744,，工作頻率78 MHz,，完全滿足系統(tǒng)對精度和帶寬的要求。運算放大器N86和N87選擇高速低噪聲AD8021ARM,，其鮮明特點是輸入失調電壓低,、轉換速率快。AD9744和AD8021ARM的配置為功率變換電路提供了高速高精度的驅動保障,。
2.3 ADC電路設計
ADC電路將模擬反饋信號轉換成數(shù)字信號提供給FPGA進行處理,，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,。
3 軟件設計
在數(shù)字直流變換器中，硬件電路是軟件配置的基礎,，軟件配置是硬件電路的靈魂,，負責系統(tǒng)的運行管理,。圖6給出了數(shù)字直流變換器系統(tǒng)具體工作流程。
開機后,，F(xiàn)PGA首先下載配置程序,，系統(tǒng)對電壓ADC和電流ADC寄存器進行寫操作，并對電壓檔位控制繼電器,、電流檔位控制繼電器,、輸出繼電器等進行初始化。然后,，系統(tǒng)進入自檢和校準模式,。如果系統(tǒng)自檢和校準通過，進入下一步,，否則軟件關斷輸出繼電器,。自檢和校準完成后，輸入系統(tǒng)電壓和電流設定值,，并設定相應的工作模式,，待電壓和電流反饋回路的檔位設定后啟動主ADC和從ADC，此時電壓和電流閉環(huán)控制建立,，系統(tǒng)開始工作。若沒有過壓或過流保護,，那么系統(tǒng)對外輸出信號,，否則系統(tǒng)停機。系統(tǒng)工作時,，軟件同時監(jiān)測依從ADC輸出,，若依從ADC輸出大于設定值，則系統(tǒng)自動切換工作模式,。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 實驗結果
圖7中(a)～(i)是使用示波器測量得到的空載,、阻性負載和容性負載條件下，不同輸出電壓等級下實際紋波波形,，表1是其對應電壓輸出值,。從表1中看出不論在何種負載條件下，數(shù)字程控直流變換器的輸出都是在一個比較小范圍內變動,，輸出很穩(wěn)定且精度高,，高達萬分之六,。同時對比圖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，在容性負載條件下甚至小于10 mV,，且在同一負載特性下,，輸出紋波幾乎不受輸出電壓影響。
5 結論
本文闡述了數(shù)字程控直流變換器的設計方案,、硬件電路,、軟件設計，給出了變換器的實際結果,。實際測量表明：使用FPGA為核心的數(shù)字電壓/電流閉環(huán)控制技術能夠實現(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)復雜度,，能夠實現(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,，動態(tài)負載適應性強。因此在精密儀器和測試領域具有很好的應用價值,。
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