基于FPGA的通用開關電源控制器硬件模擬開發(fā)平臺的設計與實現(xiàn)

隨著電力電子技術的發(fā)展，離線開關電源在人們的日常生活中得到了日益廣泛的應用。在開關電源領域，各大半導體廠商對開關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)品的上市時間，是提高其競爭力的關鍵因素。
　　在開關電源控制芯片的設計過程中，軟件仿真是系統(tǒng)方案論證的一個重要手段。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，日益受到人們關注。為此，筆者設計并開發(fā)了一套基于FPGA的通用開關電源控制器硬件模擬平臺。控制器的邏輯電路通過FPGA編程實現(xiàn)；控制器的模擬電路通過比較器、放大器等實現(xiàn)。通過此平臺對開關電源控制芯片進行硬件模擬，直接從硬件對控制器設計的技術方案進行論證確認，提高了控制器設計的可靠性，從而大大縮短其設計周期。

1 通用硬件模擬開發(fā)平臺的組成

　　此通用IC控制器硬件模擬開發(fā)平臺主要由兩部分組成：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)動電路板)。此平臺的結構框圖如圖 1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FPGA XC3S400，主要包含有：1個50MHz的時鐘晶振、1個RS-232接口、1個USB 2.0接口、4個LED、8個滑動開關、2個按鈕式開關、1個七段顯示器以及2個可擴展至109個用戶I/O的接口。

　　Spartan-3系列FPGA XC3S400采用90nm工藝技術，包含有40萬個系統(tǒng)門(System gates)、8064個等效邏輯單元(Equivalent logic cells)、16個18×18專用乘法器、4個片上時鐘管理模塊(DCM)以及多達141個用戶I/O引腳。

　　此開發(fā)板提供了強大的可編程數(shù)字邏輯功能。通過對FPGA的編程，可以實現(xiàn)各種所需的數(shù)字邏輯策略，從而可以很好地對PWM控制器的數(shù)字邏輯部分進行硬件模擬。

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)字軟啟動單元模塊、模擬軟啟動單元模塊、A/D模塊、驅(qū)動電路模塊等。

　　通過對這些通用模塊及其他功能模塊的組合，可以實現(xiàn)對PWM控制器各種模擬電路單元的硬件仿真。

　　限于文章篇幅，各個功能模塊的具體組成將不在此介紹。

2 開關電源控制器硬件模擬的實現(xiàn)

　　通過對FPGA的邏輯功能編程以及模擬電路功能模塊的組合，可以實現(xiàn)開關電源PWM控制器各個功能模塊的硬件模擬，如振蕩器模塊、軟啟動模塊、PWM生成模塊以及保護電路模塊等。

2.1 振蕩器模塊的實現(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時鐘信號經(jīng)過一次分頻模塊CLKDLL得到20MHz的時鐘信號，然后再經(jīng)過一個可以自由設定參數(shù)的二次分頻器，得到所需要的時鐘頻率信號。其中，一次分頻模塊CLKDLL為Xilinx公司的標準庫函數(shù)；二次分頻模塊利用VHDL語言編寫邏輯程序予以實現(xiàn)。

2.2 軟啟動模塊的實現(xiàn)

　　為避免開關電源開啟時在輸入端產(chǎn)生過大的沖擊電流，其控制芯片內(nèi)部集成有軟啟動模塊。軟啟動電路有多種實現(xiàn)方法，利用通用硬件模擬平臺可以模擬出相應的軟啟動電路。

2.2.1 模擬式軟啟動電路

　　此模式的軟啟動電路如圖3所示，由上拉電阻RSoft-Start和外加電容Css實現(xiàn)。當模擬平臺開啟時，5V基準源通過上拉電阻RSoft-Start向Css充電，軟啟動時間由時間常數(shù)決定，TSoft-Start=2τ=2RSoft-StartCss；當模擬平臺關閉時，由FPGA產(chǎn)生Reset信號，開通Qss，使Css放電，以保證下次重新啟動模擬平臺時，Css的電壓從零開始上升。啟動過程的波形如圖4所示。





2.2.2 數(shù)字式軟啟動電路

　　另一種軟啟動模式為數(shù)字式軟啟動模式。其設計思想是通過控制三個開關管的開通順序，得到一逐次上升的階梯形電壓VSofts，從而達到軟啟動的目的。軟啟動的時間可以通過切換時間△t確定，即TSoft-Start=7△t。啟動過程的波形如圖5所示。


2.3 PWM生成模塊的實現(xiàn)

　　此硬件模擬平臺可以實現(xiàn)電壓型及電流型脈寬調(diào)制方式。電流型PWM發(fā)生器的實現(xiàn)電路如圖6所示，其開通信號由時鐘脈沖觸發(fā)；關斷信號由變壓器原邊電流信號和輸出電壓反饋信號決定。變壓器原邊的電流反饋信號(由采樣電阻經(jīng)CS端得到)放大后，與輸出電壓反饋信號(Reg)比較，當二者電壓信號相等時，PWM比較器翻轉，關斷PWM輸出脈沖信號。輸出脈沖的最大占空比由CLK信號的占空比決定。

2.4 保護電路模塊的實現(xiàn)

　　為提高系統(tǒng)的可靠性，控制電路需要各種保護功能，如輸入過壓保護、輸入欠壓保護、開環(huán)狀態(tài)保護、過載保護以及峰值電流限幅保護等。保護功能模塊可以由比較電路實現(xiàn)。將監(jiān)測信號(如電源電壓Vcc、輸出電壓反饋信號VFB及電流反饋信號isense等)分別與給定的參考電壓進行比較，當被監(jiān)測信號超過參考電壓值時，錯誤比較器(Error CMP)將立即翻轉，并通過錯誤鎖存器(Error Latch)鎖定PWM輸出信號，從而達到保護功能。

3 實驗驗證及結果分析

　　為了驗證此方法的可行性，筆者以Infineon公司的TDA16888 開關電源Demo板為基礎，利用通用硬件模擬平臺模擬控制芯片TDA16888 PWM控制級的功能，并對其部分控制策略進行相應的改進。TDA16888 PWM控制級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，其結構簡圖如圖7所示。


　　圖8和圖9為實驗波形圖。其中，圖8為軟啟動狀態(tài)的波形圖，通道1為CoolMOS門驅(qū)動信號，通道2為軟啟動電壓VSoftStart，通道3為反饋電壓Vrge，通道4為放大后的電流反饋信號Vrmp。從此波形可以看出，軟啟動過程大約為90ms。



　　圖9為正常工作狀態(tài)的波形圖，通道1至通道4的信號與圖9相同。從此波形可以看出，門驅(qū)動信號的下降沿由反饋電壓Vreg和放大后的電流反饋信號Vrmp決定；其上升沿由固定頻率的時鐘脈沖決定。

　　實驗證明，此硬件模擬開發(fā)平臺可以很好地模擬電流型PWM控制器。

　　針對開關電源控制器開發(fā)過程中軟件仿真的不足，本文提出并設計了一套基于FPGA的通用IC控制器硬件模擬開發(fā)平臺。此平臺充分利用FPGA的通用性和靈活性，在IC開發(fā)過程中對其進行硬件模擬，直接從硬件對技術方案進行論證，大大提高了IC控制器的開發(fā)周期。實驗結果表明，此方案確實可行，并具有廣泛的實用價值。

參考文獻
1 Memec Design.Memec Spartan-3 LC User′s Guide，V2.0.Memec Design，2004；(6)
2 Xilinx.Spartan-3 FPGA Family：Complete Data Sheet，V1.6.Xilinx，January 17，2005
3 Xilinx.Libraries Guide ISE6.3i.February 25，2003
4 Infineon Technologies.TDA16888 Data Sheet.Infineon Tech-nologies AG，F(xiàn)ebruary 28，2000
5 Infineon Technologies.TDA16888 Application Note：200W SMPS Demonstration Board II.Infineon Technologies AG，V1.0.September，2004