基于FPGA的通用开关电源硬件模拟开发平台的设计与实现

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l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。