基于FPGA的通用開關(guān)電源控制器硬件模擬開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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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)對開關(guān)電源控制芯片進(jìn)行硬件模擬，直接從硬件對控制器設(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 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(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采用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。
通過對這些通用模塊及其他功能模塊的組合，可以實(shí)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(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Xilinx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=2τ=2RSoft-StartCss；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)間△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(Error Latch)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TDA16888 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TDA16888 PWM控制級的功能，并對其部分控制策略進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。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(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1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)過程中對其進(jìn)行硬件模擬，直接從硬件對技術(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。
參考文獻(xiàn)
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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
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