基于FPGA的通用開關(guān)電源硬件模擬開發(fā)平臺(tái)
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)電源控制芯片的競爭也日趨激烈。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,是提高其競爭力的關(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l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FPcA 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采甩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)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XJlinx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Css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RSoft-Start向Css充電,軟啟動(dòng)時(shí)間由時(shí)間常數(shù)決定,TSoft-Start=2T=2RSoft-Start;當(dāng)模擬平臺(tái)關(guān)閉時(shí),由FPGA產(chǎn)生Reset信號(hào),開通Qss,使Css放電,以保證下次重新啟動(dòng)模擬平臺(tái)時(shí),Css的電壓從零開始上升。啟動(dòng)過程的波形如圖4所示。
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VSofts,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)問△t確定,即TSoft-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)測信號(hào)(如電源電壓Vcc、輸出電壓反饋信號(hào)VFB及電流反饋信號(hào)isense等)分別與給定的參考電壓進(jìn)行比較,當(dāng)被監(jiān)測信號(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(ErrorLatch)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TDAl6888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TDAl6888 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)。TDAl6888 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VSoftStart,通道3為反饋電壓Vrge,通道4為放大后的電流反饋信號(hào)Vrmp。從此波形可以看出,軟啟動(dòng)過程大約為90ms。
圖9為正常工作狀態(tài)的波形圖,通道l至通道4的信號(hào)與圖9相同。從此波形可以看出,門驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿由反饋電壓Vreg和放大后的電流反饋信號(hào)Vrmp決定;其上升沿由固定頻率的時(shí)鐘脈沖電決定。
實(shí)驗(yàn)證明,此硬件模擬開發(fā)平臺(tái)可以很好地模擬電流型PWM控制器。
針對(duì)開關(guān)電源控制器開發(fā)過程中軟件仿真的不足,本文提出并設(shè)計(jì)了一套基于FPGA的通用IC控制器硬件模擬開發(fā)平臺(tái)。此平臺(tái)充分利用FPGA的通用性和靈活性,在IC開發(fā)過程中對(duì)其進(jìn)行硬件模擬,直接從硬件對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行論證,大大提高了IC控制器的開發(fā)周期。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此方案確實(shí)可行,并具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。