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基于FPGA的Buck型开关电源数字控制方法研究

张耀群  
【摘要】:DC-DC变换器结构简单,广泛应用于计算机、家电、航空等领域。电子产品的迅速发展给电源芯片的设计提出了更高的要求。数字控制开关电源具有高频化、小型化、智能化等显著优点,成为当今电源设计的主流。在众多数字控制开关电源的实现方式中,FPGA以其特有的现场可编程的特点,成为该领域的研究热门。本文以Buck型DC-DC变换器为主电路拓扑、基于FPGA构建了相应的数字控制系统。论文主要工作包括:(1)介绍了Buck型变换器的工作原理和工作模式,建立了该变换器的小信号模型,设计了系统的功率级电路参数;分析了DC-DC变换器中常见的调制方式及模拟、数字控制方法;选取ZN整定法进行控制器的参数整定,构建了基于DPWM脉宽调制器及离散化位置式DPID的数字控制器。(2)在MATLAB/Simulink软件平台下,分别对功率级Buck电路,控制级的PID模块、PWM模块以及数模转换模块ADC进行了建模和调试,通过仿真方法验证了各模块设计的正确性;随后对整个设计系统进行了建模和调试,分析了其在MATLAB/Simulink软件下的仿真结果,为基于FPGA的数字控制系统的设计和参数选取提供了依据。(3)在QuartusⅡ开发平台下使用Verilog语言对数字控制系统的关键模块进行编程,并对各个模块的代码进行了测试;关键模块代码测试成功后,经模块化、例化等步骤形成RTL模型,采用ModelSim与MATLAB/Simulink软件联合仿真得到最终实验结果;结果表明,Buck型数字开关电源系统的输出电压稳定在1.8V,符合实验设计要求;最后,选取设计所需FPGA、ADC芯片及其他电路器件,完成了Buck数字控制系统的硬件设计。


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