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基于FPGA的通用开关电源控制器硬件模拟开发平台的

发布时间:2020-07-21 18:20:35 阅读: 来源:缓蚀剂中间体厂家

随着电力电子技术的发展,离线开关电源在人们的日常生活中得到了日益广泛的应用。在开关电源领域,各大半导体厂商对开关电源控制芯片的竞争也日趋激烈。因此,缩短控制芯片的开发周期及新产品的上市时间,是提高其竞争力的关键因素。在开关电源控制芯片的设计过程中,软件仿真是系统方案论证的一个重要手段。而控制芯片的硬件模拟,因其能够克服软件仿真的一些缺点,日益受到人们关注。为此,笔者设计并开发了一套基于FPGA的通用开关电源控制器硬件模拟平台。控制器的逻辑电路通过FPGA编程实现;控制器的模拟电路通过比较器、放大器等实现。通过此平台对开关电源控制芯片进行硬件模拟,直接从硬件对控制器设计的技术方案进行论证确认,提高了控制器设计的可靠性,从而大大缩短其设计周期。1 通用硬件模拟开发平台的组成此通用IC控制器硬件模拟开发平台主要由两部分组成:数字电路部分(包括一块FPGA开发板)和模拟电路部分(包括一块模拟电路板、一块参考电源板和一块驱动电路板)。此平台的结构框图如图 1所示。

1.1 数字电路部分数字电路部分由Memec公司的Spartan-3 LC开发板组成。此开发板基于Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA XC3S400,主要包含有:1个50MHz的时钟晶振、1个RS-232接口、1个USB 2.0接口、4个LED、8个滑动开关、2个按钮式开关、1个七段显示器以及2个可扩展至109个用户I/O的接口。Spartan-3系列FPGA XC3S400采用90nm工艺技术,包含有40万个系统门(System gates)、8064个等效逻辑单元(Equivalent logic cells)、16个1818专用乘法器、4个片上时钟管理模块(DCM)以及多达141个用户I/O引脚。此开发板提供了强大的可编程数字逻辑功能。通过对FPGA的编程,可以实现各种所需的数字逻辑策略,从而可以很好地对PWM控制器的数字逻辑部分进行硬件模拟。1.2 模拟电路部分模拟电路部分主要包括以下功能模块:5V电源模块、参考电压模块、通用加法电路模块、通用放大电路模块、通用比较电路模块、数字软启动单元模块、模拟软启动单元模块、A/D模块、驱动电路模块等。通过对这些通用模块及其他功能模块的组合,可以实现对PWM控制器各种模拟电路单元的硬件仿真。限于文章篇幅,各个功能模块的具体组成将不在此介绍。2 开关电源控制器硬件模拟的实现通过对FPGA的逻辑功能编程以及模拟电路功能模块的组合,可以实现开关电源PWM控制器各个功能模块的硬件模拟,如振荡器模块、软启动模块、PWM生成模块以及保护电路模块等。2.1 振荡器模块的实现振荡器模块用来产生一定频率的触发脉冲,此模块可以直接由FPGA得到,其原理图如图2所示。

由外部晶振产生的50MHz时钟信号经过一次分频模块CLKDLL得到20MHz的时钟信号,然后再经过一个可以自由设定参数的二次分频器,得到所需要的时钟频率信号。其中,一次分频模块CLKDLL为Xilinx公司的标准库函数;二次分频模块利用VHDL语言编写逻辑程序予以实现。2.2 软启动模块的实现为避免开关电源开启时在输入端产生过大的冲击电流,其控制芯片内部集成有软启动模块。软启动电路有多种实现方法,利用通用硬件模拟平台可以模拟出相应的软启动电路。2.2.1 模拟式软启动电路此模式的软启动电路如图3所示,由上拉电阻RSoft-Start和外加电容Css实现。当模拟平台开启时,5V基准源通过上拉电阻RSoft-Start向Css充电,软启动时间由时间常数决定,TSoft-Start=2τ=2RSoft-StartCss;当模拟平台关闭时,由FPGA产生Reset信号,开通Qss,使Css放电,以保证下次重新启动模拟平台时,Css的电压从零开始上升。启动过程的波形如图4所示。

2.2.2 数字式软启动电路另一种软启动模式为数字式软启动模式。其设计思想是通过控制三个开关管的开通顺序,得到一逐次上升的阶梯形电压VSofts,从而达到软启动的目的。软启动的时间可以通过切换时间△t确定,即TSoft-Start=7△t。启动过程的波形如图5所示。

2.3 PWM生成模块的实现此硬件模拟平台可以实现电压型及电流型脉宽调制方式。电流型PWM发生器的实现电路如图6所示,其开通信号由时钟脉冲触发;关断信号由变压器原边电流信号和输出电压反馈信号决定。变压器原边的电流反馈信号(由采样电阻经CS端得到)放大后,与输出电压反馈信号(Reg)比较,当二者电压信号相等时,PWM比较器翻转,关断PWM输出脉冲信号。输出脉冲的最大占空比由CLK信号的占空比决定。

2.4 保护电路模块的实现为提高系统的可靠性,控制电路需要各种保护功能,如输入过压保护、输入欠压保护、开环状态保护、过载保护以及峰值电流限幅保护等。保护功能模块可以由比较电路实现。将监测信号(如电源电压Vcc、输出电压反馈信号VFB及电流反馈信号isense等)分别与给定的参考电压进行比较,当被监测信号超过参考电压值时,错误比较器(Error CMP)将立即翻转,并通过错误锁存器(Error Latch)锁定PWM输出信号,从而达到保护功能。3 实验验证及结果分析为了验证此方法的可行性,笔者以Infineon公司的TDA16888 开关电源Demo板为基础,利用通用硬件模拟平台模拟控制芯片TDA16888 PWM控制级的功能,并对其部分控制策略进行相应的改进。TDA16888 PWM控制级的硬件模拟电路如图6所示。功率电路板为200瓦多路输出双晶体管正激变换器,其结构简图如图7所示。

图8和图9为实验波形图。其中,图8为软启动状态的波形图,通道1为CoolMOS门驱动信号,通道2为软启动电压VSoftStart,通道3为反馈电压Vrge,通道4为放大后的电流反馈信号Vrmp。从此波形可以看出,软启动过程大约为90ms。

图9为正常工作状态的波形图,通道1至通道4的信号与图9相同。从此波形可以看出,门驱动信号的下降沿由反馈电压Vreg和放大后的电流反馈信号Vrmp决定;其上升沿由固定频率的时钟脉冲决定。实验证明,此硬件模拟开发平台可以很好地模拟电流型PWM控制器。针对开关电源控制器开发过程中软件仿真的不足,本文提出并设计了一套基于FPGA的通用IC控制器硬件模拟开发平台。此平台充分利用FPGA的通用性和灵活性,在IC开发过程中对其进行硬件模拟,直接从硬件对技术方案进行论证,大大提高了IC控制器的开发周期。实验结果表明,此方案确实可行,并具有广泛的实用价值。参考文献1 Memec mec Spartan-3 LC User′s Guide,mec Design,2004;(6)2 artan-3 FPGA Family:Complete Data Sheet,linx,January 17,20053 braries Guide bruary 25,20034 Infineon A16888 Data fineon Tech-nologies AG,February 28,20005 Infineon A16888 Application Note:200W SMPS Demonstration Board fineon Technologies AG,ptember,2004

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