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求一份通用开关电源硬件模拟开发平台的设计方案

113 开关电源 开发平台 控制器
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通用硬件模拟开发平台是由哪些部分组成的?

如何去实现开关电源控制器硬件?
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2021-5-6 07:08:02   评论 分享淘帖 邀请回答
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  随着电力电子技术的发展,离线开关电源在人们的日常生活中得到了日益广泛的应用。在开关电源领域。各大半导体厂商对开关电源控制芯片的竞争也日趋激烈。因此,缩短控制芯片的开发周期及新产品的上市时间,是提高其竞争力的关键因素。
  在开关电源控制芯片的设计过程中,软件仿真是系统方案论证的一个重要手段。而控制芯片的硬件模拟,因其能够克服软件仿真的一些缺点,日益受到人们关注。为此,笔者设计并开发了一套基于FPGA的通用开关电源控制器硬件模拟平台。控制器的逻辑电路通过FPGA编程实现;控制器的模拟电路通过比较器、放大器等实现。通过此平台对开关电源控制芯片进行硬件模拟,直接从硬件对控制器设计的技术方案进行论证确认,提高了控制器设计的可靠性,从而大大缩短其设计周期。
  1 通用硬件模拟开发平台的组成
  此通用IC控制器硬件模拟开发平台主要由两部分组成:数字电路部分(包括一块FPGA开发板)和模拟电路部分(包括一块模拟电路板、一块参考电源板和一块驱动电路板)。此平台的结构框图如图1所示。
  
  1.1 数字电路部分
  数字电路部分由Memec公司的Spartan-3 LC开发板组成。此开发板基于Xilinx公司的Spartan-3系列FPcA XC3S400,主要包含有:1个50MHz的时钟晶振、1个RS-232接口、1个USB 2.0接口、4个LED、8个滑动开关、2个按钮式开关、1个七段显示器以及2个可扩展至109个用户I/O的接口。
  Spartan-3系列FPGA XC3S400采甩90nm工艺技术,包含有40万个系统门(System gates)、8064个等效逻辑单元(Equivalent logic cells)、16个18×18专用乘法器、4个片上时钟管理模块(DCM)以及多达141个用户I/O引脚。
  此开发板提供了强大的可编程数字逻辑功能。通过对FPGA的编程,可以实现各种所需的数字逻辑策略.从而可以很好地对PWM控制器的数字逻辑部分进行硬件模拟。
  1.2 模拟电路部分
  模拟电路部分主要包括以下功能模块:5V电源模块、参考电压模块、通用加法电路模块、通用放大电路模块、通用比较电路模块、数字软启动单元模块、模拟软启动单元模块、A/D模块、驱动电路模块等。
  通过对这些通用模块及其他功能模块的组合,可以实现对PWM控制器各种模拟电路单元的硬件仿真。
  限于文章篇幅,各个功能模块的具体组成将不在此介绍。
  2 开关电源控制器硬件模拟的实现
  通过对FPGA的逻辑功能编程以及模拟电路功能模块的组合,可以实现开关电源PWM控制器各个功能模块的硬件模拟,如振荡器模块、软启动模块、PWM生成模块以及保护电路模块等。
  2.1 振荡器模块的实现
  振荡器模块用来产生一定频率的触发脉冲,此模块可以直接由FPGA得到。其原理图如图2所示。
  
  由外部晶振产生的50MHz时钟信号经过一次分频模块CLKDLL得到20MHz的时钟信号,然后再经过一个可以自由设定参数的二次分频器,得到所需要的时钟频率信号。其中,一次分频模块CLKDLL为XJlinx公司的标准库函数;二次分频模块利用VHDL语言编写逻辑程序予以实现。
  2.2 软启动模块的实现
  为避免开关电源开启时在输入端产生过大的冲击电流,其控制芯片内部集成有软启动模块。软启动电路有多种实现方法,利用通用硬件模拟平台可以模拟出相应的软启动电路。
  2.2.1 模拟式软启动电路
  此模式的软启动电路如图3所示,由上拉电阻RSoft-Start和外加电容Css实现。当模拟平台开启时,5V基准源通过上拉电阻RSoft-Start向Css充电,软启动时间由时间常数决定,TSoft-Start=2T=2RSoft-Start;当模拟平台关闭时,由FPGA产生Reset信号,开通Qss,使Css放电,以保证下次重新启动模拟平台时,Css的电压从零开始上升。启动过程的波形如图4所示。
  
  2.2.2 数字式软启动电路
  另一种软启动模式为数字式软启动模式。其设计思想是通过控制三个开关管的开通顺序,得到一逐次上升的阶梯形电压VSofts,从而达到软启动的目的。软启动的时间可以通过切换时问△t确定,即TSoft-Start=7△t。启动过程的波形如图5所示。
  
  2.3 PWM生成模块的实现
  此硬件模拟平台可以实现电压型及电流型脉宽调制方式。电流型PWM发生器的实现电路如图6所示,其开通信号由时钟脉冲触发;关断信号由变压器原边电流信号和输出电压反馈信号决定。变压器原边的电流反馈信号(由采样电阻经CS端得到)放大后,与输出电压反馈信号(Reg)比较,当二者电压信号相等时,PWM比较器翻转,关断PWM输出脉冲信号。输出脉冲的最大 占空比由CLK信号的占空比决定。
  
  2.4 保护电路模块的实现
  为提高系统的可靠性,控制电路需要各种保护功能,如输入过压保护、输入欠压保护、开环状态保护、过载保护以及峰值电流限幅保护等。保护功能模块可以由比较电路实现。将监测信号(如电源电压Vcc、输出电压反馈信号VFB及电流反馈信号isense等)分别与给定的参考电压进行比较,当被监测信号超过参考电压值时,错误比较器(Error CMP)将立即翻转,并通过错误锁存器(ErrorLatch)锁定PWM输出信号,从而达到保护功能。
  3 实验验证及结果分析
  为了验证此方法的可行性,笔者以Infineon公司的TDAl6888开关电源Demo板为基础,利用通用硬件模拟平台模拟控制芯片TDAl6888 PWM控制级的功能,并对其部分控制策略进行相应的改进。TDAl6888 PWM控制级的硬件模拟电路如图6所示。功率电路板为200瓦多路输出双晶体管正激变换器,其结构简图如图7所示。
  
  图8和图9为实验波形图。其中,图8为软启动状态的波形图,通道1为CoolMOS门驱动信号。通道2为软启动电压VSoftStart,通道3 为反馈电压Vrge,通道4为放大后的电流反馈信号Vrmp。从此波形可以看出,软启动过程大约为90ms。
  
  图9为正常工作状态的波形图,通道l至通道4的信号与图9相同。从此波形可以看出,门驱动信号的下降沿由反馈电压Vreg和放大后的电流反馈信号Vrmp决定;其上升沿由固定频率的时钟脉冲电决定。
  实验证明,此硬件模拟开发平台可以很好地模拟电流型PWM控制器。
  针对开关电源控制器开发过程中软件仿真的不足,本文提出并设计了一套基于FPGA的通用IC控制器硬件模拟开发平台。此平台充分利用FPGA的通用性和灵活性,在IC开发过程中对其进行硬件模拟,直接从硬件对技术方案进行论证,大大提高了IC控制器的开发周期。实验结果表明,此方案确实可行,并具有广泛的实用价值。
2021-5-6 11:39:46 评论

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