基于FPGA的高频高精度数字开关电源控制器的研究

论文摘要

电力电子设备的控制技术随着电力电子技术的发展而迅猛发展。开关电源是电力电子设备的重要组成部分,其功能的好坏直接影响着整个设备的性能。随着数字信息技术的不断发展,对电源控制器的研究开始从模拟时代步入数字时代。近年来,FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)凭借其高速率、稳定性强、修改灵活、开发周期短等优点引起了数字控制领域的广泛关注。FPGA的各项优点也决定了其必将成为今后电力电子控制技术领域的主力军。论文研究了一种基于FPGA的高频高精度数字开关电源控制器。首先以Buck变换器为主电路模型,对其进行了理论分析及数学建模;然后,在其基础上提出了新型数字控制器方案,并加以分析和设计;与此同时,建立了Buck电路的仿真模型,并对设计的数字控制器进行了系统的仿真研究,得到了令人满意的仿真结果。论文着重论述了数字开关电源控制器的实现,其中,重点研究了数字补偿器和DPWM(Digital Pulse Width Modulation,数字脉宽调制器)的实现。论文设计了一种基于FPGA实现的数字开关电源控制器方案。采用Verilog HDL语言,在Quartus II软件下完成设计及仿真验证。并在此基础上,以Altera公司生产的Cyclone系列芯片EP1C6Q240C8为主控芯片,构建试验平台,通过实验验证了理论研究及控制算法的正确性和可行性。作者采用较低的输入频率实现了10位分辨率的高精度DPWM,完成了DPWM IP核的构建并用其搭建了基于SOPC(System On a Programmable Chip,可编程片上系统)的DPWM系统。最终使控制器频率达到预定的开关频率1MHz,实现了高频高精度的设计目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 开关电源控制器国内外发展现状
• 1.2.1 模拟控制器时代
• 1.2.2 单片机控制器时代
• 1.2.3 DSP 控制器时代
• 1.2.4 FPGA 控制器时代
• 1.3 FPGA 的发展及优势
• 1.3.1 FPGA 的发展现状
• 1.3.2 FPGA 在电力电子控制技术中的优势
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 Buck 变换器的数学模型
• 2.1 Buck 变换器原理
• 2.2 Buck 变换器的优化及参数设计
• 2.2.1 变换器的优化
• 2.2.2 变换器参数设计
• 2.3 Buck 变换电路的建模
• 2.3.1 建模方法
• 2.3.2 小信号模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第3章 数字开关电源控制器的设计
• 3.1 A/D 转换器
• 3.1.1 A/D 转换芯片的选择
• 3.1.2 A/D 的采样控制模块
• 3.2 数字补偿器
• 3.2.1 离散系统的数字PID 控制算法
• 3.2.2 数字补偿器的实现
• 3.3 数字脉宽调制器
• 3.3.1 DPWM 的分辨率
• 3.3.2 DPWM 的实现方法设计
• 3.3.3 DPWM 实现方案
• 3.3.4 基于SOPC 的DPWM 系统的构建
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统仿真与硬件实现
• 4.1 Buck 电路的仿真
• 4.2 开关电源数字控制器的实现
• 4.2.1 A/D 采样控制模块的仿真
• 4.2.2 数字补偿器的实现
• 4.2.3 基于FPGA 的DPWM 实现
• 4.3 实验结果
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢