隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,，離線開關(guān)電源在人們的日常生活中得到了日益廣泛的應(yīng)用,。在開關(guān)電源領(lǐng)域，各大半導(dǎo)體廠商對(duì)開關(guān)電源控制芯片的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)間，是提高其競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素,。
　　在開關(guān)電源控制芯片的設(shè)計(jì)過程中，軟件仿真是系統(tǒng)方案論證的一個(gè)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(diǎn)，日益受到人們關(guān)注,。為此,，筆者設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套基于FPGA的通用開關(guān)電源控制器硬件模擬平臺(tái)?？刂破鞯倪壿嬰娐吠ㄟ^FPGA編程實(shí)現(xiàn),；控制器的模擬電路通過比較器、放大器等實(shí)現(xiàn),。通過此平臺(tái)對(duì)開關(guān)電源控制芯片進(jìn)行硬件模擬,，直接從硬件對(duì)控制器設(shè)計(jì)的技術(shù)方案進(jìn)行論證確認(rèn)，提高了控制器設(shè)計(jì)的可靠性,，從而大大縮短其設(shè)計(jì)周期,。
1 通用硬件模擬開發(fā)平臺(tái)的組成
　　此通用IC控制器硬件模擬開發(fā)平臺(tái)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(qū)動(dòng)電路板),。此平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示,。

1.1 數(shù)字電路部分
　　數(shù)字電路部分由Memec公司的Spartan-3 LC開發(fā)板組成。此開發(fā)板基于Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA XC3S400,，主要包含有：1個(gè)50MHz的時(shí)鐘晶振,、1個(gè)RS-232接口、1個(gè)USB 2.0接口,、4個(gè)LED,、8個(gè)滑動(dòng)開關(guān)、2個(gè)按鈕式開關(guān),、1個(gè)七段顯示器以及2個(gè)可擴(kuò)展至109個(gè)用戶I/O的接口,。
　　Spartan-3系列FPGA XC3S400采用90nm工藝技術(shù)，包含有40萬個(gè)系統(tǒng)門(System gates),、8064個(gè)等效邏輯單元(Equivalent logic cells),、16個(gè)18×18專用乘法器,、4個(gè)片上時(shí)鐘管理模塊(DCM)以及多達(dá)141個(gè)用戶I/O引腳。
　　此開發(fā)板提供了強(qiáng)大的可編程數(shù)字邏輯功能,。通過對(duì)FPGA的編程,，可以實(shí)現(xiàn)各種所需的數(shù)字邏輯策略，從而可以很好地對(duì)PWM控制器的數(shù)字邏輯部分進(jìn)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(dòng)" title="軟啟動(dòng)">軟啟動(dòng)單元模塊,、模擬軟啟動(dòng)單元模塊,、A/D模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊等,。
　　通過對(duì)這些通用模塊及其他功能模塊的組合,，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)功能模塊的具體組成將不在此介紹,。
2 開關(guān)電源控制器硬件模擬的實(shí)現(xiàn)
　　通過對(duì)FPGA的邏輯功能編程以及模擬電路功能模塊的組合，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源PWM控制器各個(gè)功能模塊的硬件模擬,，如振蕩器模塊,、軟啟動(dòng)模塊、PWM生成模塊以及保護(hù)電路模塊等,。
2.1 振蕩器模塊的實(shí)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(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過一次分頻模塊CLKDLL得到20MHz的時(shí)鐘信號(hào),，然后再經(jīng)過一個(gè)可以自由設(shè)定參數(shù)的二次分頻器，得到所需要的時(shí)鐘頻率信號(hào),。其中,，一次分頻模塊CLKDLL為Xilinx公司的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)；二次分頻模塊利用VHDL語言編寫邏輯程序予以實(shí)現(xiàn),。
2.2 軟啟動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)
　　為避免開關(guān)電源開啟時(shí)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(dòng)模塊。軟啟動(dòng)電路有多種實(shí)現(xiàn)方法,，利用通用硬件模擬平臺(tái)可以模擬出相應(yīng)的軟啟動(dòng)電路,。
2.2.1 模擬式軟啟動(dòng)電路
　　此模式的軟啟動(dòng)電路如圖3所示，由上拉電阻RSoft-Start和外加電容C_ss實(shí)現(xiàn),。當(dāng)模擬平臺(tái)開啟時(shí),，5V基準(zhǔn)源通過上拉電阻R_Soft-Start向C_ss充電,，軟啟動(dòng)時(shí)間由時(shí)間常數(shù)決定，T_Soft-Start=2τ=2R_Soft-StartC_ss,；當(dāng)模擬平臺(tái)關(guān)閉時(shí),，由FPGA產(chǎn)生Reset信號(hào)，開通Q_ss,，使C_ss放電,，以保證下次重新啟動(dòng)模擬平臺(tái)時(shí)，C_ss的電壓從零開始上升,。啟動(dòng)過程的波形如圖4所示,。

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2.2.2 數(shù)字式軟啟動(dòng)電路
　　另一種軟啟動(dòng)模式為數(shù)字式軟啟動(dòng)模式。其設(shè)計(jì)思想是通過控制三個(gè)開關(guān)管的開通順序,，得到一逐次上升的階梯形電壓V_Softs,，從而達(dá)到軟啟動(dòng)的目的。軟啟動(dòng)的時(shí)間可以通過切換時(shí)間△t確定,，即T_Soft-Start=7△t。啟動(dòng)過程的波形如圖5所示,。

2.3 PWM生成模塊的實(shí)現(xiàn)
　　此硬件模擬平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)電壓型及電流型脈寬調(diào)制方式,。電流型PWM發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示，其開通信號(hào)由時(shí)鐘脈沖觸發(fā),；關(guān)斷信號(hào)由變壓器原邊電流信號(hào)和輸出電壓反饋信號(hào)決定,。變壓器原邊的電流反饋信號(hào)(由采樣電阻經(jīng)CS端得到)放大后，與輸出電壓反饋信號(hào)(Reg)比較,，當(dāng)二者電壓信號(hào)相等時(shí),，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，關(guān)斷PWM輸出脈沖信號(hào),。輸出脈沖的最大占空比由CLK信號(hào)的占空比決定,。

2.4 保護(hù)電路模塊的實(shí)現(xiàn)
　　為提高系統(tǒng)的可靠性，控制電路需要各種保護(hù)功能,，如輸入過壓保護(hù),、輸入欠壓保護(hù)、開環(huán)狀態(tài)保護(hù),、過載保護(hù)以及峰值電流限幅保護(hù)等,。保護(hù)功能模塊可以由比較電路實(shí)現(xiàn)。將監(jiān)測(cè)信號(hào)(如電源電壓V_cc,、輸出電壓反饋信號(hào)V_FB及電流反饋信號(hào)i_sense等)分別與給定的參考電壓進(jìn)行比較,，當(dāng)被監(jiān)測(cè)信號(hào)超過參考電壓值時(shí)，錯(cuò)誤比較器(Error CMP)將立即翻轉(zhuǎn),，并通過錯(cuò)誤鎖存器(Error Latch)鎖定PWM輸出信號(hào),，從而達(dá)到保護(hù)功能,。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析
　　為了驗(yàn)證此方法的可行性，筆者以Infineon公司的TDA16888 開關(guān)電源Demo板為基礎(chǔ),，利用通用硬件模擬平臺(tái)模擬控制芯片TDA16888 PWM控制級(jí)的功能,，并對(duì)其部分控制策略進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。TDA16888 PWM控制級(jí)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

　　圖8和圖9為實(shí)驗(yàn)波形圖,。其中,，圖8為軟啟動(dòng)狀態(tài)的波形圖，通道1為CoolMOS門驅(qū)動(dòng)信號(hào),，通道2為軟啟動(dòng)電壓V_SoftStart,，通道3為反饋電壓V_rge，通道4為放大后的電流反饋信號(hào)V_rmp,。從此波形可以看出,，軟啟動(dòng)過程大約為90ms。

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