摘 要： 設計了一套基于FPGA的通用離線開關電源" title="開關電源">開關電源硬件模擬" title="硬件模擬">硬件模擬開發平臺" title="開發平臺">開發平臺，并對此硬件開發平臺的硬件組成及工作原理進行了分析。利用此硬件開發平臺對開關電源控制器進行硬件模擬，可以彌補控制芯片" title="控制芯片">控制芯片設計過程中軟件仿真的不足，大大縮短控制芯片開發周期。
關鍵詞： FPGA 離線開關電源 開關電源控制器 硬件模擬
隨著電力電子技術的發展，離線開關電源在人們的日常生活中得到了日益廣泛的應用。在開關電源領域，各大半導體廠商對開關電源控制芯片的競爭也日趨激烈。因此，縮短控制芯片的開發周期及新產品的上市時間，是提高其競爭力的關鍵因素。
在開關電源控制芯片的設計過程中，軟件仿真是系統方案論證的一個重要手段。而控制芯片的硬件模擬，因其能夠克服軟件仿真的一些缺點，日益受到人們關注。為此，筆者設計并開發了一套基于FPGA的通用開關電源控制器硬件模擬平臺?？刂破鞯倪壿嬰娐吠ㄟ^FPGA編程實現；控制器的模擬電路通過比較器、放大器等實現。通過此平臺對開關電源控制芯片進行硬件模擬，直接從硬件對控制器設計的技術方案進行論證確認，提高了控制器設計的可靠性，從而大大縮短其設計周期。
1 通用硬件模擬開發平臺的組成
此通用IC控制器硬件模擬開發平臺主要由兩部分組成：數字電路部分(包括一塊FPGA開發板)和模擬電路部分(包括一塊模擬電路板、一塊參考電源板和一塊驅動電路板)。此平臺的結構框圖如圖 1所示。
1.1 數字電路部分
數字電路部分由Memec公司的Spartan-3 LC開發板組成。此開發板基于Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA XC3S400，主要包含有：1個50MHz的時鐘晶振、1個RS-232接口、1個USB 2.0接口、4個LED、8個滑動開關、2個按鈕式開關、1個七段顯示器以及2個可擴展至109個用戶I/O的接口。
Spartan-3系列FPGA XC3S400采用90nm工藝技術，包含有40萬個系統門(System gates)、8064個等效邏輯單元(Equivalent logic cells)、16個18×18專用乘法器、4個片上時鐘管理模塊(DCM)以及多達141個用戶I/O引腳。
此開發板提供了強大的可編程數字邏輯功能。通過對FPGA的編程，可以實現各種所需的數字邏輯策略，從而可以很好地對PWM控制器的數字邏輯部分進行硬件模擬。
1.2 模擬電路部分
模擬電路部分主要包括以下功能模塊：5V電源模塊、參考電壓模塊、通用加法電路模塊、通用放大電路模塊、通用比較電路模塊、數字軟啟動" title="軟啟動">軟啟動單元模塊、模擬軟啟動單元模塊、A/D模塊、驅動電路模塊等。
通過對這些通用模塊及其他功能模塊的組合，可以實現對PWM控制器各種模擬電路單元的硬件仿真。
限于文章篇幅，各個功能模塊的具體組成將不在此介紹。
2 開關電源控制器硬件模擬的實現
通過對FPGA的邏輯功能編程以及模擬電路功能模塊的組合，可以實現開關電源PWM控制器各個功能模塊的硬件模擬，如振蕩器模塊、軟啟動模塊、PWM生成模塊以及保護電路模塊等。
2.1 振蕩器模塊的實現
振蕩器模塊用來產生一定頻率的觸發脈沖，此模塊可以直接由FPGA得到，其原理圖如圖2所示。
由外部晶振產生的50MHz時鐘信號經過一次分頻模塊CLKDLL得到20MHz的時鐘信號，然后再經過一個可以自由設定參數的二次分頻器，得到所需要的時鐘頻率信號。其中，一次分頻模塊CLKDLL為Xilinx公司的標準庫函數；二次分頻模塊利用VHDL語言編寫邏輯程序予以實現。
2.2 軟啟動模塊的實現
為避免開關電源開啟時在輸入端產生過大的沖擊電流，其控制芯片內部集成有軟啟動模塊。軟啟動電路有多種實現方法，利用通用硬件模擬平臺可以模擬出相應的軟啟動電路。
2.2.1 模擬式軟啟動電路
此模式的軟啟動電路如圖3所示，由上拉電阻RSoft-Start和外加電容Css實現。當模擬平臺開啟時，5V基準源通過上拉電阻RSoft-Start向Css充電，軟啟動時間由時間常數決定，TSoft-Start=2τ=2RSoft-StartCss；當模擬平臺關閉時，由FPGA產生Reset信號，開通Qss，使Css放電，以保證下次重新啟動模擬平臺時，Css的電壓從零開始上升。啟動過程的波形如圖4所示。
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2.2.2 數字式軟啟動電路
另一種軟啟動模式為數字式軟啟動模式。其設計思想是通過控制三個開關管的開通順序，得到一逐次上升的階梯形電壓VSofts，從而達到軟啟動的目的。軟啟動的時間可以通過切換時間△t確定，即TSoft-Start=7△t。啟動過程的波形如圖5所示。
2.3 PWM生成模塊的實現
此硬件模擬平臺可以實現電壓型及電流型脈寬調制方式。電流型PWM發生器的實現電路如圖6所示，其開通信號由時鐘脈沖觸發；關斷信號由變壓器原邊電流信號和輸出電壓反饋信號決定。變壓器原邊的電流反饋信號(由采樣電阻經CS端得到)放大后，與輸出電壓反饋信號(Reg)比較，當二者電壓信號相等時，PWM比較器翻轉，關斷PWM輸出脈沖信號。輸出脈沖的最大占空比由CLK信號的占空比決定。
2.4 保護電路模塊的實現
為提高系統的可靠性，控制電路需要各種保護功能，如輸入過壓保護、輸入欠壓保護、開環狀態保護、過載保護以及峰值電流限幅保護等。保護功能模塊可以由比較電路實現。將監測信號(如電源電壓Vcc、輸出電壓反饋信號VFB及電流反饋信號isense等)分別與給定的參考電壓進行比較，當被監測信號超過參考電壓值時，錯誤比較器(Error CMP)將立即翻轉，并通過錯誤鎖存器(Error Latch)鎖定PWM輸出信號，從而達到保護功能。
3 實驗驗證及結果分析
為了驗證此方法的可行性，筆者以Infineon公司的TDA16888 開關電源Demo板為基礎，利用通用硬件模擬平臺模擬控制芯片TDA16888 PWM控制級的功能，并對其部分控制策略進行相應的改進。TDA16888 PWM控制級的硬件模擬電路如圖6所示。功率電路板為200瓦多路輸出雙晶體管正激變換器，其結構簡圖如圖7所示。
圖8和圖9為實驗波形圖。其中，圖8為軟啟動狀態的波形圖，通道1為CoolMOS門驅動信號，通道2為軟啟動電壓VSoftStart，通道3為反饋電壓Vrge，通道4為放大后的電流反饋信號Vrmp。從此波形可以看出，軟啟動過程大約為90ms。
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圖9為正常工作狀態的波形圖，通道1至通道4的信號與圖9相同。從此波形可以看出，門驅動信號的下降沿由反饋電壓Vreg和放大后的電流反饋信號Vrmp決定；其上升沿由固定頻率的時鐘脈沖決定。
實驗證明，此硬件模擬開發平臺可以很好地模擬電流型PWM控制器。
針對開關電源控制器開發過程中軟件仿真的不足，本文提出并設計了一套基于FPGA的通用IC控制器硬件模擬開發平臺。此平臺充分利用FPGA的通用性和靈活性，在IC開發過程中對其進行硬件模擬，直接從硬件對技術方案進行論證，大大提高了IC控制器的開發周期。實驗結果表明，此方案確實可行，并具有廣泛的實用價值。
參考文獻
1 Memec Design.Memec Spartan-3 LC User′s Guide，V2.0.Memec Design，2004；(6)
2 Xilinx.Spartan-3 FPGA Family：Complete Data Sheet，V1.6.Xilinx，January 17，2005
3 Xilinx.Libraries Guide ISE6.3i.February 25，2003
4 Infineon Technologies.TDA16888 Data Sheet.Infineon Tech-nologies AG，February 28，2000
5 Infineon Technologies.TDA16888 Application Note：200W SMPS Demonstration Board II.Infineon Technologies AG，V1.0.September，2004