基于FPGA的PWM控制器设计及应用

results prove the feasibility of the proposed method.
Keywords: FPGA Thesis
Digital Control
Digital PWM
Digital Compensator
: Application 论
表 1.1 三种 DC/DC 电源管理模式比较 种类 工作 模式 低压差线 性稳压器 电荷泵 升、降压， 反转 开关电源 升、降压， 反转 高 高 高 电容电感 好 高 中 中 中 电容 差 中 降压 效 率 低 低 复杂度 输出 纹波 低 外围 器件 电容 中 负载性 电磁 干扰 低
低压差线性稳压器只能适用于降压变换，从其工作原理来讲，低压差线性稳压器根 据负载电流的变化情况来调节自身的输出电阻，维持稳压输出端的电压不变，适合于输 入输出电压差较小的场合，通常效率不高并且发热严重。 电荷泵式电压变换器是一种利用泵电容来储能的 DC/DC 变换器，它既能使输入电
西安科技大学 硕士学位论文 基于FPGA的PWM控制器设计及应用 姓名：任小青 申请学位级别：硕士 专业：微电子与固体电子学 指导教师：徐大林;刘树林 2011
论文题目：基于 FPGA 的 PWM 控制器设计及应用 专 业：微电子与固体电子学 （签名） （签名） （签名）
硕 士 生：任小青 指导教师：徐大林 刘树林
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西安科技大学硕士学位论文
压升高或降低，也可以用于产生负电压[3]。 开关电源变换器利用电感储能，与低压差线性稳压器或电荷泵相比要求更大的电路 板面积， 但能提供很大的负载电流。 如果能将所需的高耐压的开关晶体管集成到器件中， 使用时只需外接一个电感和必要的输入、 输出电容， 可以使整个方案的体积进一步减小， 使用更加简便；这种类型的开关电源效率高，负载电流大，但是纹波比低压差线性稳压 器大，且通常所需外围电感并不容易集成到芯片内部；随着开关电源技术发展，工作频 率的提高可以减小纹波，减小外围电感要求[4]。 电源技术的发展经历了电子管稳压源、晶体管稳压源、以 IGBT 和 GTR 为开关器 件的低频开关稳压源、以场效应管作为开关器件的高频稳压源几个时期，总体的发展趋 势是朝着体积小、损耗小、效率高、可靠性高的方向发展[5]。 传统的模拟开关电源由于使用模拟器件设计，在反馈控制回路中采用误差放大器， 基准电压源等电路，对工艺、器件稳定性要求较高，而且模拟电路容易老化且受温度干 扰。此外，用户对电源的无故障运行时间、电源运行状态的监控要求也越来越高，电源 设计人员不仅仅满足于实时监控电流、电压、温度，还提出了根据电源负载情况灵活设 定输出电压参数的要求，这些需求是现阶段的模拟电源设计方案难以满足的，因此，产 生了用数字电路设计电源的想法，其目标就是将电源管理功能用数字方法设计，并实现 智能、高效的转换与控制[6]。 数字化控制系统以其突出的优点逐渐取代模拟控制电路，在电力电子电路领域的各 个方面已经得到了广泛的应用。随着微电子的发展，高速度、高集成度的现场可编程门 阵列与数字化控制技术的结合成为数字化控制系统发展的必然趋势。 结合数字控制优点及FPGA长处， 本文提出一种基于FPGA的开关电源数字化控制系 统方案，并完成了设计仿真以及实验验证。将开关电源控制器集成在一片FPGA芯片上， 一方面提高了控制芯片的工作效率，另一方面减少控制芯片的外围分立元件，从而提高 系统工作可靠性，增强系统的灵活性、适应性，减少PCB面积、降低成本。 基于FPGA的灵活性和可任意配置特性，本系统中各个功能模块通过单独配置，可 以作为独立模块下载到芯片中使用，具有很强的通用性；当需要系统升级或者系统功能 扩展时，只需将现有系统移植到更高级的FPGA芯片，并加入需要的功能模块即可，因 此具有很强的移植性。
关 键 词：FPGA；数字控制；数字脉宽调制；数字补偿器 研究类型：应用研究
Subject
: Design and Application of PWM Converter Based on FPGA
Specialty : Microelectronics and Solid State Electronics Name : Ren Xiaoqing (Signature) (Signature) (Signature)
摘 要
数字电源与传统的模拟电源相比具有灵活变换、精确控制、实时监控、稳定可靠等 优点，在近几年得到高速发展，尤其在高端领域是模拟电源不能替代的。随着越来越多 的国际设计公司开始涉足数字电源，数字电源正成为电源领域的研究热点。现场可编程 门阵列器件(FPGA)是一种新型集成电路， 可以将众多的控制功能模块集成为一体， 具有 集成度高、实用性强、高性价比、便于开发等优点，因而具有广泛的应用前景。 本文研究和设计了一款基于 FPGA 电压控制型 PWM 数字控制器，控制器结构分三 个部分：ADC、PID 控制器和数字 PWM 发生器。根据 ADC 的分辨率和采样率要求选 用合适的 A/D 转换电路；数字 PID 控制器是通过设计连续域的 PID 控制器，利用零极 点匹配方法将其转换成离散域 PID 控制器；数字 PWM 发生器的设计是根据系统精度要 求确定分辨率要求，经分析比较各种方法后确定采用计数-比较方式实现。 整个设计利用 Altera 公司的 EDA 工具 QuartusⅡ软件，采用自顶向下的方法对该控 制器进行了 RTL 级详细设计，运用模块化结构设计易于移植，整个控制系统便于功能 扩展和升级。设计完成后，对各模块和系统进行了仿真，最后将程序下载到 EP2C5Q208C8N 芯片中进行了系统功能测试。 数字控制器的系统验证是先通过 Simulink 建立系统模型， 验证控制器的环路补偿特 性和系统稳定性，然后将控制器应用于 Buck 电路进行测试，测试结果表明纹波系数为 1.6%；在负载或输入电压变化情况下，电源系统的输出电压能快速恢复到稳定状态，总 体性能达到预期设计目标。实验结果证明了理论分析的正确性和提出方案的可行性。
1.1 本课题研究背景及意义
作为电子产品工作动力的电源，其质量直接影响电子设备的性能以及使用寿命，电 子产品规格不同，额定工作的电压和电流也不同，甚至同一个产品在不同的工作阶段需 要的电压、电流都是不同的。但是无一例外的是各种各样的产品都希望能够得到所处阶 段所需要的稳定的工作电压和恒定的工作电流，并且在负载发生变化时候电源输出特性 最好不受影响，或者在最短的时间调整到额定状态，因此在各式各样的电子产品的应用 中都离不开变换器，根据转换前后的电压电流形式通常把电源分为 AC、DC 两大类。因 此，基本的电力电子电路就可分为四大类型，即 AC/DC 电路、DC/AC 电路、AC/AC 电 路、DC/DC 电路[1]。AC/DC 电路和 DC/AC 电路比较容易理解，对于 AC/AC 电路，可 以变换的对象有频率、相数、电压和电流等，对于 DC/DC 电路，可以变换的主要对象 是电压和电流。电力电子电路中的核心元器件是电力电子器件，顾名思义开关电源就是 电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源，这样可以使损耗很小，这是电力电子电 路的一个显著特点。开关电源以 DC/DC 变换器设计最为基础，应用最为广泛，在各类 便携式装置如笔记本电脑、移动电话、寻呼机、PDA 中都离不开各种 DC/DC 变换器。 目前在便携式电子产品中主要应用的三种 DC/DC 电源管理模式：低压差线性稳压 器、开关电源、电荷泵[2]，其特点如表 1.1 所示。
Instructor: Xu Dalin Liu Shulin
ABSTRACT
The digital power has many advantages, such as flexible transform, accurate control, real-time supervising and better stability. In recent years, digital powers play an irreplaceable role in senior power management applications. As more and more international power design companies set foot in digital power field, it becomes the focus of power design. FPGA (Field Programmable Gate Arrays) is a new type of IC (Integrated Circuit), integrating many control function modules. With advantages of full integration, good applicability, fields. Based on a FPGA development board, a digital converter with voltage feedback PWM control mode is designed. It includes ADC controller, digital PID compensator and digital PWM generator. According to the adaptive sample rate and resolution ratio, a suitable ADC can be choosed. To design digital PID Compensator, a continue form compensator can be designed before it was transformed into a discrete one. According to the precision and resolution of the system, counter-compare method can be used in digital PWM generator. With the top-to-down approach, RTL-level design of this controller is carried out based on QuartusⅡ. The design is easy to transplant and upgrade thanks to modularization. Each module is verified and the whole controller is simulated after the RTL level design. Finally, the designed file is downloaded to EP2C5Q208C8N chip at the FPGA kit to verify the system function. The test of the design has two steps. Firstly, the compensatory and stable characters of the system are tested in a system Simulink model. Secondly, buck circuit is tested by an oscillograph. The result indicates that the ripple ratio is 1.6% and the output voltage can recover to stable state rapidly when the load or the input voltage changes. The experimental high performance-cost ratio and being developed easily, it has a variety of applications in many