计算机论文：基于FPGA的Buck型开关电源数字控制方法计算机研究
本文是一篇计算机论文，本文主要以 FPGA 芯片作为数字控制器作用于 Buck 型开关电源，总结如下：（1）功率级 Buck 变换器多工作模式、多变量、非线性的工作特点使其建模过程复杂，文章使用小信号模型完成建模。系统的整体设计还需考虑到 ADC 与 PWM 模块精度的配合。（2）基于 FPGA 的设计需要对硬件编程语言进行学习，包括 Verilog 语言的基本语法、编程架构以及程序中逻辑与时序的设计与验证。对 DPID 算法编写时，为防止数据溢出现象增加限幅功能。编辑单独的特定模块相对容易，但实现整体系统的顶层模块设计具有一定难度。由于本文没有硬件实物支撑，使用代码逻辑实现模数转换功能。（3）本系统使用软件较多，从软件的安装、编程、调试等都极其复杂。ModelSim 作为常见的 HDL 仿真工具，仿真功能强大，能与 Debussy、MATLAB 等软件实现联合仿真。本本在熟悉Quartus、ModelSim 开发平台的基础上，使用 HDL Verifier 实现 ModelSim 与 MATLAB/Simulink联合仿真。多软件的联合仿真能在同一软件下实现算法与验证，实验效率高且实验结果精准，在该研究领域具有广阔的发展前景。





    第一章 绪论

   

    1.1 开关电源概述

    日常生活生产中离不开电源。我们所说的电源分发出电能、变换电能两大类。前者由发电厂发出后送给公用电网，公用电力网给千家万户提供 220V 交流电。然而，大部分的电子产品使用的是直流电，这就需要变换电能。作为变换电能的电源，从最初的线性稳压电源到相控电源，再到如今广泛应用在各个领域的开关电源，其发展经历了三个阶段。电源的发展主要来源于电力电子器件的更新换代[1]。

    线性稳压电源结构图如图 1-1 所示。其特点是电路中使用调整功率管 V，并让其工作在线
性放大区，同时保持一定的管压降。线性稳压电源的工作原理是将输出电压与参考电压进行比较，所得的误差电压值对调整管 V 的基极电流做负反馈调节。线性稳压电源虽满足供电质量且结构简单，但输入电路由工频变压器组成，导致其体积庞大，在线性放大区工作必然损耗大、效率低，与高效节能的发展要求相违背，逐渐被淘汰。

   

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        1.2 本课题的意义

        随着科技的进步，人类从十八世纪末期的蒸汽时代，过渡到十九世纪末的电气时代，二
十世纪中期开始进入计算机时代。如今各行各业都不离开计算机。计算机科学作为一门重要学科，涉及算法理论、信息处理、人工智能、人机交互、网络与通信等[4,5]。计算机技术的应用和影响几乎无处不在，比如家用电器、机械工程、电子工程、金融、医药等行业都离不开计算机技术的支撑。

        本课题研究的主题是开关电源的数字化实现，主要涉及电力电子技术、计算机技术和控制理论等学科知识，属于电子科学与技术学科、计算机学科和电气工程学科的交叉学科。课题中用到的模数转换（ADC）技术、基于现场可编程门阵列（FPGA）的电子设计自动化（EDA）技术等，都属于信息电子技术范畴；主电路拓扑中用到的电力电子器件、开关电源变换和控制电能的相关技术等，都属于电力电子技术范畴；基于 Verilog 的硬件描述语言（HDL）代码的编写及 Quartus、ModelSim、MATLAB 等软件的使用等则离不开计算机学科的相关知识，PID 及 DPID 控制算法的设计则属于控制理论与控制工程学科的范畴。

        工业、计算机系统、电力系统等领域都涉及到电力电子技术。比如，一般工业需要大容量的整流电源；电力系统在提高供电质量时，常对电力电子器件进行无功补偿、谐波补偿等；
高铁、动车等都需要电力变换和驱动控制。小到家用电器，大到航空、航海都离不开电力电子技术。控制工程在工程科学技术中作用突出。它是基于电气、机械工程发展起来的，可以处理自动控制系统中各种工程，广泛应用于化工、冶金、武器系统，甚至在企业管理、生物控制、社会经济的计划领域也有它的身影。电子计算机是实现控制工程的核心，如今控制系统向着复杂度高的方向发展，传统控制方式渐渐淡出人们的视野，智能控制逐渐成为研究和应用的主流。

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            第二章 Buck 变换器建模及参数设计

           


            2.1 数字电源系统设计指标

            变换电能的电源有含变压器的，这类属于隔离型变换器。最常见的隔离型变换器可分正激、反激式以及半桥、全桥变换器等。另一类属于不含变压器的 DC-DC 变换器，主电路拓扑结构包括 Buck，Boost，Buck-Boost 等[13]。
       
            本文主要以非隔离型 Buck 变换器为功率级主电路拓扑，采用电压单环控制方式，控制级包括 10 位逐次逼近式 ADC 和数字控制器，数字控制器由位置式 DPID 与 16 位计数式 DPWM 组成。图 2-1 给出了 Buck 型数字开关电源的系统架构。
       
           

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            2.2 Buck 变换器的工作模式

            Buck 变换器是目前应用最为广泛的一种 DC-DC 变换器。Buck 变换器又称为降压变换器，是利用储能器件在一个时钟周期内的导通和关短时间来实现降压的。主电路拓扑如图 2-2 所示，主要包括续流二极管 VD，功率开关管 V 和储能元件电感 L、电容 C 等[14]。V 通常使用全控型功率半导体开关器件，VD 的作用是在 V 截止后给负载 R 提供续流回路。L、C 的作用是得到平滑的输出电流和输出电压，所以又称为滤波元件。

           

           
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第三章 Buck 型数字开关电源关键模块的设计............................ 17

3.1 数字控制器控制方式的选取.........................................17

3.1.1 模拟控制与数字控制..............................17

3.1.2 电压型控制与电流型控制..................................18

第四章 基于 DPID 的 Buck 型开关电源的 Simulink 实现.........................31

4.1 Buck 变换器主拓扑的 Simulink 仿真模型.....................................31


4.2 ADC 的 Simulink 仿真模型.......................................32

4.3 数字控制器参数整定及 Simulink 仿真模型......................... 33

第五章 数字开关电源的多软件联合仿真与分析........................................39

5.1 实验系统的开发流程与软件设计...............................39

5.1.1 FPGA 的设计流程.....................................39

5.1.2 软件编程架构.......................................40



第六章 基于 FPGA 的 Buck 型开关电源的设计与实现



6.1 关键模块的设计与调试

本系统的控制部分基于 FPGA 实现，主要对控制部分的模块进行设计与调试，关键模块包括逐次逼近式 ADC、位置式 DPID 和计数式 DPWM[46,47]。

6.1.1 ADC 控制模块

ADC 模块中由 Clk 时钟信号，Rst_n 低电平有效的复位信号，使能信号 En_conv，分频计数器 DIV_PARAM，及输入模拟量 ADC_DOUT[48]组成。当 Rst_n 高电平时，En_Conv 触发，模数转换器开始采样工作。ADC_SCLK 是 ADC 内部时钟信号，Conv_Done 是转换完成信号，ADC_State表示 ADC 的工作状态，高电平表示转换完成，低电平为正在转换。AD
C_CS_N 为片选信号，Data是 ADC 转换结果，图 6-1 是 ADC 的模块化示意图。为了验证 ADC 代码的准确性，编写该模块的测试脚本，Testbench 测试结果如图 6-2 所示。

   

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第七章 总结与展望



7.1 总结

如今，人们的生活中离不开手机、平板电脑等电子产品，这些高科技产品带给我们方便的同
模块化电源时也对电源有了更高的要求。DC-DC 变换器作为最常见的开关电源，具有突出的研究价值。数字控制器凭借模拟控制器不具备的众多优点，成为发展主流。本文主要以 FPGA 芯片作为数字控制器作用于 Buck 型开关电源，总结如下：

（1）功率级 Buck 变换器多工作模式、多变量、非线性的工作特点使其建模过程复杂，文章使用小信号模型完成建模。系统的整体设计还需考虑到 ADC 与 PWM 模块精度的配合。

（2）基于 FPGA 的设计需要对硬件编程语言进行学习，包括 Verilog 语言的基本语法、编程架构以及程序中逻辑与时序的设计与验证。对 DPID 算法编写时，为防止数据溢出现象增加限幅功能。编辑单独的特定模块相对容易，但实现整体系统的顶层模块设计具有一定难度。由于本文没有硬件实物支撑，使用代码逻辑实现模数转换功能。

（3）本系统使用软件较多，从软件的安装、编程、调试等都极其复杂。ModelSim 作为常见的 HDL 仿真工具，仿真功能强大，能与 Debussy、MATLAB 等软件实现联合仿真。本本在熟悉Quartus、ModelSim 开发平台的基础上，使用 HDL Verifier 实现 ModelSim 与 MATLAB/
Simulink联合仿真。多软件的联合仿真能在同一软件下实现算法与验证，实验效率高且实验结果精准，在该研究领域具有广阔的发展前景。

参考文献（略）
                               

                                 
                           

                               

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