基于FPGA的数字控制BUCK变换器的设计

发布时间：2017-09-23 16:44

  本文关键词：基于FPGA的数字控制BUCK变换器的设计

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【摘要】：近年来,随着智能硬件的兴起,各种电子类产品层出不穷,伴随着电子产品功能的增多,耗电量也在不断地攀升,因此当前很多领域对电源的要求也在变得逐步提升,所以,目前DC-DC变换器的研究越来越成为一个主流方向。由于FPGA灵活高效、开发速度快等优点,其在DC-DC变换器领域的地位变得越来越重要。本文在学习和分析了各种常用DC-DC电路的基础上,设计了一种基于FPGA的数字控制BUCK型DC-DC变换器,主要工作如下：1,介绍分析了DC-DC变换器的基本原理、不同的工作模式和建模方法,说明了根据不同设计要求选取DC-DC变换器中电感以及电容的具体方法,并详细对比了基于单片机、DSP和FPGA进行控制的BUCK变换器的各种不同特点,以及基于FPGA的BUCK变换器控制电路的优点。2,讨论了BUCK变换器的极限环效应产生的影响以及出现的原因,并相应的提出了避免极限环出现的方法,然后根据设计要求对ADC采样模块的芯片、分辨率等进行了设计,接着通过对传统PID控制算法进行离散化得到数字增量式PID算法,最后根据前面两个模块的设计给出了DPWM模块的分辨率和具体实现方法。3,通过对系统仿真以及硬件电路进行实验测试得到相应的结果,实验结果分析表明,设计的基于FPGA的BUCK型DC-DC变换器可以很好地满足设计目的,在动态性和稳定性方面都达到了设计要求。
【关键词】：DC-DC FPGA 数字PWM 数字PID
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 引言9
• 1.2 开关电源的研究背景和现状9-15
• 1.2.1 开关电源的研究背景和意义10-11
• 1.2.2 数字开关电源的研究现状11-14
• 1.2.3 数字开关电源的优势及其缺陷14-15
• 1.3 本文的主要内容安排15-17
• 第二章 DC-DC变换器的工作原理和控制方式17-31
• 2.1 DC-DC变换器电路的基本原理17-22
• 2.1.1 DC-DC变换器的基本结构和工作原理17-19
• 2.1.2 BUCK电路的两种工作模式DCM、CCM19-22
• 2.2 DC-DC变换器的系统建模和电路参数的设计22-28
• 2.2.1 DC-DC变换器的状态空间平均法建模22-27
• 2.2.2 BUCK变换器功率级电路的参数设计规律27-28
• 2.3 开关电源的常用数字控制方法28-31
• 2.3.1 基于单片机的控制方式29
• 2.3.2 基于DSP的控制方式29
• 2.3.3 基于FPGA的控制方式29-31
• 第三章 BUCK变换器的数字控制系统的设计31-47
• 3.1 变换器数字控制系统设计时需要注意主要的问题31-33
• 3.1.1 ADC分辨率31-32
• 3.1.2 极限环和DPWM分辨率32-33
• 3.2 ADC电路的设计33-35
• 3.2.1 ADC电路结构和原理33-35
• 3.2.2 ADC采样芯片的选择35
• 3.3 DPID控制算法的设计35-40
• 3.3.1 PID控制原理36-37
• 3.3.2 PID控制算法的离散化37-38
• 3.3.3 数字PID控制算法在FPGA里的实现方法38-39
• 3.3.4 PID系数的整定39-40
• 3.4 DPWM发生器的设计40-47
• 3.4.1 DPWM的基本原理40-41
• 3.4.2 不同类型DPWM的实现方法41-46
• 3.4.3 DPWM分辨率的选择46-47
• 第四章 基于FPGA的实验系统的仿真与验证47-58
• 4.1 实验系统的软件设计及开发流程47-50
• 4.1.1 系统软件介绍47-48
• 4.1.2 FPGA的一般开发步骤48-50
• 4.2 数字控制系统的仿真50-54
• 4.2.1 ADC控制模块仿真50-52
• 4.2.2 数字PID控制模块仿真52-53
• 4.2.3 数字PWM模块仿真53-54
• 4.3 系统电路实验结果分析54-58
• 4.3.1 系统稳态性能测设55-56
• 4.3.2 系统动态性能测设56-57
• 4.3.3 测试结果分析57-58
• 第五章 总结与展望58-59
• 参考文献59-62
• 致谢62

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本文编号：906385