基于FPGA通信電源的數(shù)字控制器設(shè)計

胥建鵬

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞 523419）

1 通信開關(guān)電源技術(shù)概述

1.1 通信開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)

開關(guān)電源的基本原理是通過功率來進行開關(guān)的周期性閉合和打開，進而實現(xiàn)高效的通信，具體電路框架如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源電路框架圖

其中，DC/DC功率變換器是開關(guān)電源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，放大器電路的主要原理是采集信號，并和預(yù)先設(shè)置的電壓數(shù)值進行對比，經(jīng)放大誤差處理后，驅(qū)動開關(guān)控制模塊實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出。

1.2 拓撲結(jié)構(gòu)

開關(guān)電源的回路模塊是功率電流回路的組成部分。主回路拓撲模塊一般包括功率開關(guān)模塊、儲能器模塊、脈沖變壓模塊、整流模塊及濾波模塊等[1-2]。

降壓拓撲裝置通過控制輸出電壓量來實現(xiàn)單管非隔離直流變換，其電路主要包括開關(guān)Q、續(xù)流二極管D、濾波電感以及濾波電容等。

升壓拓撲裝置通過控制輸出電壓高于輸入電壓來實現(xiàn)單管非隔離直流變換，其電路主要包括開關(guān)Q、續(xù)流二極管D、濾波電感以及濾波電容等。

升降壓拓撲模塊是通過Buck和Boost變換模塊連接構(gòu)成內(nèi)部架構(gòu)，升壓拓撲裝置大同小異。

隔離式拓撲模塊的輸入回路和輸出回路沒有直接相連，主要借助脈沖變壓器的磁耦合來進行電氣回路的運行。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)的通信電源系統(tǒng)方案設(shè)計主要包括兩部分。（1）部分移相拓撲電路的主回路設(shè)計，包括EMI電路、抗浪涌電路、濾波電路及軟開關(guān)等電路模塊。（2）基于FPGA數(shù)字自動控制器設(shè)計，包括電壓電流采樣電路、ADC轉(zhuǎn)換電路及報警顯示電路等[3]。

該數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計技術(shù)指標及設(shè)計要求具體如下。輸出功率為6 kW，容許一分鐘過載130%；輸入電壓為3/N/PE，380 V/50 Hz；輸出電壓為0～240 VDC程控可調(diào)；輸出紋波小于5%；效率大于90%；開關(guān)頻率為60 kHz，需具有數(shù)字通信接口。

系統(tǒng)主回路環(huán)節(jié)中，EMI電路主要作用是借助電磁信號對電網(wǎng)和電源進行干擾，防止電解電容的負荷為零，進而限制開機瞬間的抗浪涌電流。如果不能控制電流大小，那么開機瞬間的大電流就會損壞電器元件。

對于采樣及自動控制環(huán)節(jié)，自動控制是建立在FPGA電路基礎(chǔ)上的。采樣電路對輸出電壓和電流進行采樣后，并對其進行ADC轉(zhuǎn)化；FPGA可接收經(jīng)ADC轉(zhuǎn)化后的數(shù)字電壓和電流信號，利用數(shù)字PID算法對誤差量e(t)進行計算，并利用內(nèi)部硬核將PWM信號輸出；此過程中，F(xiàn)PGA控制器還可對每個周期進行過流和過壓保護。因此，只有增大PWM的信號功率，才能使開關(guān)正常運行。

外部通信環(huán)節(jié)包括顯示和上位軟件兩部分。其中，F(xiàn)PGA可將輸出電壓和電流等信息通過通信口送至外部顯示屏，從而將這些信號展示在顯示屏上；上位軟件具有監(jiān)控和調(diào)節(jié)功能，所以輸出電壓和電流等信息不僅會被上位軟件實時監(jiān)控，而且輸出電壓還可通過上位軟件進行自我設(shè)定。

3 基于FPGA閉環(huán)自動控制器電路設(shè)計

3.1 整體電路設(shè)計

傳統(tǒng)模擬通信電源控制電壓系統(tǒng)是通過集成控制芯片來進行控制模擬。由于該方式內(nèi)部嵌套的電子元器件涉及數(shù)量較多，造成控制參量不能進行實時更改和修正等。因此，本文設(shè)計了基于FPGA技術(shù)的數(shù)字控制方案[4]。

本文的電路控制方式優(yōu)勢是控制回路簡單、控制算法兼容性好及可復(fù)制性程度高，因此可最大程度地提高控制系統(tǒng)的適用性。此外，DC還可實現(xiàn)通信電源的在線監(jiān)控功能。

3.2 控制板供電電路

考慮到FPGA控制板電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，供電電源種類較多，為保證整個回路電壓的穩(wěn)定，本文根據(jù)ADC轉(zhuǎn)換和電流電壓采樣電路等不同的電壓需求來進行控制板電源模塊電路設(shè)計。

考慮電壓模塊中輸出和輸入存在較大壓力差，為提高電源控制系統(tǒng)的可靠性，本文采用BUCK拓撲開關(guān)電源作為前級降壓芯片。此外，為降低系統(tǒng)電源噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)壓性，本文采用Analog公司生產(chǎn)的AD574。但該芯片的供電電源需達到2 V，因此需要一個單電源輸入，以保證供電電源模塊的正常運行。

3.3 電壓電流采樣電路

本設(shè)計采用10 V的輸入通道，極大地降低了采樣電壓。全橋變換器的主回電路中，輸出電壓處串聯(lián)了兩個電阻，分別是800 kΩ和30 kΩ，30 kΩ的電阻直接決定了采樣電壓。當開關(guān)電源的輸出電壓達到240 V時，輸出開關(guān)電源的輸出電壓處于最大狀態(tài)，此時采樣電壓的數(shù)值為8.67 V，在AD芯片的輸入電壓范圍內(nèi)。

設(shè)計電源控制系統(tǒng)時需對電壓信號進行低通濾波處理，本文結(jié)合實際情況，采用二階型RC低通濾波器進行濾波，具體如圖2所示。其中，U4A和U4B屬于電壓跟隨器，由運算放大器LM358組成，在電路中的作用是匹配阻值。

圖2 電壓采樣電路

3.4 串口通信電路

數(shù)字開關(guān)中，通信功能必不可少，可保障數(shù)字電源的遠程在線監(jiān)控。因此，本文設(shè)計采用的是串口通信方式，可極大地降低設(shè)計成本。此外，由于串口在電路設(shè)計中的兼容性非常好，被廣泛應(yīng)用于低速通信。本設(shè)計采用的是TTL轉(zhuǎn)232電平芯片，其中RS232的接口是J5。電平通過MAX232芯片進行轉(zhuǎn)換后，開關(guān)電源中的輸出電壓和電流等信息就可以通過FPGA與上位機進行通信，開關(guān)電源就可以得到上位機的遠程監(jiān)控。

3.5 ADC轉(zhuǎn)換電路

在數(shù)字開關(guān)電源中安裝具有高速和高分辨特點的AD芯片，不僅可有效保障電壓的精確度，而且可有效控制輸出電壓和電流采樣的精準度。為保障AD芯片的性能，設(shè)計中使用的是AD574。AD574是一種性價比非常高的轉(zhuǎn)換器，不僅精準度高、轉(zhuǎn)換速度快，而且可進行校準和通道檢測。AD574在電路中的工作運行非常簡單，僅需要部分外阻電器就能保障系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。因此，AD574的使用可有效降低電路的設(shè)計難度。

4 結(jié) 論

通信電源是通信系統(tǒng)不可或缺的一部分。電源控制系統(tǒng)的性能和精度直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和維護成本。本文設(shè)計了數(shù)字電源控制的原理圖，并實現(xiàn)了對通信電源運行情況的遠程控制，減少了人力投入，節(jié)約了維護成本。此外，基于FPGA閉環(huán)控制電路的設(shè)計提高了通信電源的穩(wěn)定性和可靠性，優(yōu)勢明顯。