FPGA通信电源下的数字控制器设计范文

摘要：随着社会的发展与进步，通信已成为人们日常生活中不可或缺的一部分，对应的通信电源设计显得越来越重要。因此，完成了基于FPGA数字电源控制器的设计。该设计具有远程控制功能，可有效缩短了通信设备的保养周期，提高了通信设备的利用率。

关键词：通信电源；数字控制器；智能化

1通信开关电源技术概述

1.1通信开关电源基本结构

开关电源的基本原理是通过功率来进行开关的周期性闭合和打开，进而实现高效的通信，具体电路框架如图1所示。其中，DC/DC功率变换器是开关电源结构的重要组成部分，放大器电路的主要原理是采集信号，并和预先设置的电压数值进行对比，经放大误差处理后，驱动开关控制模块实现电压的稳定输出。

1.2拓扑结构

开关电源的回路模块是功率电流回路的组成部分。主回路拓扑模块一般包括功率开关模块、储能器模块、脉冲变压模块、整流模块及滤波模块等[1-2]。降压拓扑装置通过控制输出电压量来实现单管非隔离直流变换，其电路主要包括开关Q、续流二极管D、滤波电感以及滤波电容等。升压拓扑装置通过控制输出电压高于输入电压来实现单管非隔离直流变换，其电路主要包括开关Q、续流二极管D、滤波电感以及滤波电容等。升降压拓扑模块是通过Buck和Boost变换模块连接构成内部架构，升压拓扑装置大同小异。隔离式拓扑模块的输入回路和输出回路没有直接相连，主要借助脉冲变压器的磁耦合来进行电气回路的运行。

2系统方案设计

系统的通信电源系统方案设计主要包括两部分。（1）部分移相拓扑电路的主回路设计，包括EMI电路、抗浪涌电路、滤波电路及软开关等电路模块。（2）基于FPGA数字自动控制器设计，包括电压电流采样电路、ADC转换电路及报警显示电路等[3]。该数字开关电源的设计技术指标及设计要求具体如下。输出功率为6kW，容许一分钟过载130%；输入电压为3/N/PE，380V/50Hz；输出电压为0～240VDC程控可调；输出纹波小于5%；效率大于90%；开关频率为60kHz，需具有数字通信接口。系统主回路环节中，EMI电路主要作用是借助电磁信号对电网和电源进行干扰，防止电解电容的负荷为零，进而限制开机瞬间的抗浪涌电流。如果不能控制电流大小，那么开机瞬间的大电流就会损坏电器元件。对于采样及自动控制环节，自动控制是建立在FPGA电路基础上的。采样电路对输出电压和电流进行采样后，并对其进行ADC转化；FPGA可接收经ADC转化后的数字电压和电流信号，利用数字PID算法对误差量e(t)进行计算，并利用内部硬核将PWM信号输出；此过程中，FPGA控制器还可对每个周期进行过流和过压保护。因此，只有增大PWM的信号功率，才能使开关正常运行。外部通信环节包括显示和上位软件两部分。其中，FPGA可将输出电压和电流等信息通过通信口送至外部显示屏，从而将这些信号展示在显示屏上；上位软件具有监控和调节功能，所以输出电压和电流等信息不仅会被上位软件实时监控，而且输出电压还可通过上位软件进行自我设定。

3基于FPGA闭环自动控制器电路设计

3.1整体电路设计

传统模拟通信电源控制电压系统是通过集成控制芯片来进行控制模拟。由于该方式内部嵌套的电子元器件涉及数量较多，造成控制参量不能进行实时更改和修正等。因此，本文设计了基于FPGA技术的数字控制方案[4]。本文的电路控制方式优势是控制回路简单、控制算法兼容性好及可复制性程度高，因此可最大程度地提高控制系统的适用性。此外，DC还可实现通信电源的在线监控功能。

3.2控制板供电电路

考虑到FPGA控制板电路结构较为复杂，供电电源种类较多，为保证整个回路电压的稳定，本文根据ADC转换和电流电压采样电路等不同的电压需求来进行控制板电源模块电路设计。考虑电压模块中输出和输入存在较大压力差，为提高电源控制系统的可靠性，本文采用BUCK拓扑开关电源作为前级降压芯片。此外，为降低系统电源噪声，提高系统的稳压性，本文采用Analog公司生产的AD574。但该芯片的供电电源需达到2V，因此需要一个单电源输入，以保证供电电源模块的正常运行。

3.3电压电流采样电路

本设计采用10V的输入通道，极大地降低了采样电压。全桥变换器的主回电路中，输出电压处串联了两个电阻，分别是800kΩ和30kΩ，30kΩ的电阻直接决定了采样电压。当开关电源的输出电压达到240V时，输出开关电源的输出电压处于最大状态，此时采样电压的数值为8.67V，在AD芯片的输入电压范围内。设计电源控制系统时需对电压信号进行低通滤波处理，本文结合实际情况，采用二阶型RC低通滤波器进行滤波，具体如图2所示。其中，U4A和U4B属于电压跟随器，由运算放大器LM358组成，在电路中的作用是匹配阻值。

3.4串口通信电路

数字开关中，通信功能必不可少，可保障数字电源的远程在线监控。因此，本文设计采用的是串口通信方式，可极大地降低设计成本。此外，由于串口在电路设计中的兼容性非常好，被广泛应用于低速通信。本设计采用的是TTL转232电平芯片，其中RS232的接口是J5。电平通过MAX232芯片进行转换后，开关电源中的输出电压和电流等信息就可以通过FPGA与上位机进行通信，开关电源就可以得到上位机的远程监控。

3.5ADC转换电路

在数字开关电源中安装具有高速和高分辨特点的AD芯片，不仅可有效保障电压的精确度，而且可有效控制输出电压和电流采样的精准度。为保障AD芯片的性能，设计中使用的是AD574。AD574是一种性价比非常高的转换器，不仅精准度高、转换速度快，而且可进行校准和通道检测。AD574在电路中的工作运行非常简单，仅需要部分外阻电器就能保障系统正常运转。因此，AD574的使用可有效降低电路的设计难度。

4结论

通信电源是通信系统不可或缺的一部分。电源控制系统的性能和精度直接影响系统的稳定性和维护成本。本文设计了数字电源控制的原理图，并实现了对通信电源运行情况的远程控制，减少了人力投入，节约了维护成本。此外，基于FPGA闭环控制电路的设计提高了通信电源的稳定性和可靠性，优势明显。

参考文献：

[1]胡方舟，赵宏涛，祁承超，等.Buck变换器的两种不同数字控制器设计方法[J].空军预警学院学报，2019，33（1）：58-61.

[2]何雯.数字峰值电流控制的Boost变换器的稳定性分析及系统设计[D].广州：华南理工大学，2016.

[3]李一鸣.基于数字控制的开关电源设计[J].吉首大学学报（自然科学版），2009，30（6）：71-73，90.

[4]曹艺.用于DC-DC变换器的数字控制器的研究与设计[D].武汉：华中科技大学，2010.

作者：胥建鹏 单位：东莞理工学院城市学院