基于FPGA的高频PWM开关电源控制器设计

论文摘要

电力电子装置的控制技术随着电力电子技术的发展而愈来愈复杂。开关电源是现代电力电子设备中不可或缺的组成部分,其质量的优劣以及体积的大小直接影响电子设备整体性能。高频化、小型化、数字化是开关电源的发展方向。在应用数字技术进行控制系统设计时,数字控制器的性能决定了控制系统的整体性能。数字化电力电子设备中的控制部分多以MCU/DSP为核心,以软件实现离散域的运算及控制。在很多高频应用的场合,目前常用的控制器(高性能单片机或DSP)的速度往往不能完全满足要求。FPGA具有设计灵活、集成度高、速度快、设计周期短等优点,与单片机和DSP相比,FPGA具有更高的处理速度。同时FPGA应用在数字化电力电子设备中,还可以大大简化控制系统结构,并可实现多种高速算法,具有较高的性价比。依据FPGA的这些突出优点,本文将FPGA应用于直流开关电源控制器设计中,以实现开关电源数字化和高频化的要求。主要研究工作如下:介绍了基于FPGA的DC/DC数字控制器中A/D采样控制、数字PI算法的实现;重点描述了采用混合PWM方法实现高分辨率、高精度数字PWM的设计方案,并对各模块进行了仿真测试;用FPGA开发板进行了一部分系统的仿真和实际结果的检测,验证了文中的分析结论,证实了可编程逻辑器件在直流开关电源控制器设计中的应用优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 电力电子电路的数字化控制技术
• 1.1.1 电力电子技术发展概述
• 1.1.2 电力电子变换技术
• 1.2 软开关变换器的发展
• 1.3 PWM型DC/DC变换器控制方法
• 1.4 可编程逻辑器件在电力电子数字控制中的应用优势
• 1.5 本文的目的和研究内容
• 第二章 基于FPGA的专业芯片控制技术
• 2.1 可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）及嵌入式系统
• 2.1.1 可编程逻辑器件简介
• 2.1.2 现场可编程门阵列器件
• 2.1.3 嵌入式系统简介
• 2.2 主控芯片Cyclone介绍
• 2.2.1 Cyclone简介
• 2.2.2 CycloneⅡ EP2C35介绍
• 2.3 EDA简介
• 2.3.1 EDA技术的发展历程
• 2.3.2 EDA技术的特点及应用范围
• 2.3.3 EDA设计流程
• 2.4 SPWM控制技术
• 2.4.1 开关电源调制方式
• 2.4.2 正弦脉冲宽度调制（SPWM）原理
• 2.4.3 SPWM调制方式
• 2.4.4 SPWM的数学模型
• 第三章 基于FPGA的PWM控制器设计
• 3.1 控制系统框图
• 3.2 A/D转换电路
• 3.2.1 A/D转换芯片
• 3.2.2 A/D采样控制
• 3.3 控制算法
• 3.4 基于DDS的标准正弦波单元设计
• 3.4.1 DDS原理及特点
• 3.4.2 基准正弦信号的产生
• 3.5 PWM波形发生器设计
• 3.5.1 高精度PWM控制器的原理
• 3.5.2 系统内部单元模块的设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 系统仿真与结果验证
• 4.1 系统的仿真方法
• 4.2 仿真软件QuartusⅡ简介
• 4.2.1 应用QuartusⅡ的设计流程
• 4.2.2 QuartusⅡ的特点
• 4.2.3 QuartusⅡ的图形用户界面
• 4.3 系统的仿真结果及分析
• 4.4 系统的硬件装置验证及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文完成的主要工作
• 5.2 需进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文与成果