基于FPGA的高精度数字电源设计

1 引言
   　　在信息技术高速发展的今天,电子系统数字化已经成为有目共睹的趋势,从传统应用中小规模芯片构造电路系统到广泛地应用单片机,到今天DSP及FPGA在系统设计中的应用,电子设计技术已迈入了一个全新阶段。FPGA不仅具有容量大,逻辑功能强的特点,而且兼有高速、高可靠性。随着EDA技术的发展和VLSI工艺技术的进步,特别是软/硬件IP芯核产业的迅猛发展,可编程片上系统(SOPC)己经大量使用。本文通过对高精度数字电源系统的研发,提出了FPGA在数字电源控制器的应用思路。
  
   
   2 系统组成
   　　本系统是以单片现场可编程门阵列(FPGA)为基础的全数字控制的高精度开关电源。数字控制的H桥脉宽调制的DC-DC变换器电源系统如图1所示。
   　　图中,功率主电路由三相整流器、低频LC滤波电路、DC-DC功率变换器、输出高频滤波电路等几部分构成;控制及调节功能主要由基于FPGA的数字电源控制器完成,可以按设计要求来调节电源输出电压、电流。
   　　FPGA中主要分两大模块,第一个模块是由软核CPU组成的通讯管理模块;第二个模块由几个DSP块组成,主要完成调节器的PI或PID运算、高分辨率PWM信号的产生以及数字滤波等。
   　　在PWM开关电源中,PWM波形的产生及其准确调制至关重要。当使用FPGA数字控制器时,电流环及电压环的调节方式为数字化的PI(比例积分)或PID(比例积分微分)调节,反馈电流或电压信号经过A/D(模拟/数字)转换后输入到控制器,由控制器调节脉冲的宽度。
   　　采用上述方案的数字化电源相对于传统的模拟控制方式,具有显而易见的优势。对于不同的负载对象,可以通过在软件中修改调节器参数来满足指标要求,并且可以按照实际需要自由配置成为单环或双环控制系统。这些都是在软件中完成的,系统控制调节单元的硬件无需重复配置。
   3 软核Nios CPU
   　　在QuartusII开发软件中使用SOPC Builder开发工具可以快速构造一个Nios软核CPU,嵌入到FPGA器件中,Nios软核CPU如图2所示。在本例中构造了UART-RS232、Ethernet通讯功能,LCD液晶屏显示功能,数字量、开关量I/O及外部数据存储管理等功能,通过Nios II的集成开发环境Nios II IDE,使用C/C++高级语言对Nios软核CPU进行编程。就能完成FPGA同上位机RS232口或者Ethernet网的通讯、本地信息采集及显示、数据存储管理等。在FPGA内部通过地址总线和数据总线来管理其他DSP块或IP核的协调工作。
   4 调节器算法(PI或PID)
   
   调节器的算法在数字电源是一个至关重要的环节,它的好坏直接影响到电源系统的各项性能指标。
   　　以某加速器六极磁铁所需电源为对象,主要参数如下:
   磁铁:Rm=0.14H,Lm=0.266mΩ
   电源:Un=70V,电压纹波小于1×10-3(1kHz以下);
   In=200A,电流纹波小于5×10-5,跟踪误差小于1×10-4。
   　　若采用电流单闭环控制,并采用PI调节器,仿真的系统模型如图3所示。
   
   　　图3中,上位电流给定信号通过16位DAC转换后,与DCCT输出的电流反馈信号进行比较,得到误差信号,此误差经过误差放大器放大后送入PI调节器,由调节器的输出来控制PWM并驱动功率器件,从而实现负载对象所要求的高精度输出电流。
   　　在Matlab/Simulink中对图3所示系统加以斜坡给定,可仿真得到系统响应如图4所示。可以看出系统无超调,跟踪误差小于0.02A(0.02/200=1×10-4),满足系统要求的指标。
   
   　　仿真完成后可以通过DSPBuilder系统设计工具构造一个含有HDL语言的PID功能的DSP块。这个DSP块可以作为一个IP核供FPGA直接调用。其输出用于PWM调制。
   5 高精度PWM脉冲的生成
   FPGA实现PWM部分设计框图如图5所示。
   
   　　PWM的生成主要由脉宽寄存器、缓冲寄存器、周期寄存器、死区寄存器、死区发生器、数值比较器、控制逻辑等部分组成。脉宽寄存器,决定各路PWM信号的脉宽;缓冲寄存器,实现对脉宽数据的缓冲;周期寄存器,决定PWM的斩波周期;死区寄存器,决定H桥臂的死区时间。脉宽寄存器在每个开关周期更新一次,其输出数据经缓冲后与基准计数器进行数值比较,得到各路PWM信号。再经死区电路处理,最后产生4路PWM驱动信号,驱动相应的功率器件。
   　　基准计数器,用来产生类似模拟电路中的三角波基准,是一个最小计算值为0,最大计算值为周期寄存器中保存的数值、计数方向交替变换的可逆计数器。基准计数单元在最大计数值时产生一个同步信号SYN,当其有效时将4个脉冲宽度的数据存入各自的缓冲寄存器,实现双缓冲,使各个脉冲宽度寄存器在SYN无效时可依次更新而不影响最终的功率器件导通。
   6 结束语
   　　本文以FPGA芯片EP1C20为核心,叙述了实现数字化电源控制调节器的一种方法,根据现场工艺要求在FPGA中可灵活配置控制方案而无需重新配置硬件,外围电路(如ADC、DAC等)选用高精度、低温漂的器件,从而实现高精度的数字化电源,这是模拟系统所不及的。同时,由于控制调节的核心采用了数字化电路,系统自身的抗干扰能力明显优于模拟系统。
   　　目前,在很多应用领域中,需要数十台甚至更多电源同时协调工作,即适应网络化电源应用,而上述方案的数字化电源,通过Nios软核CPU的强大通讯功能,可以很方便的实现批量电源的网络化管理。