0 导言
传统改换器选用模仿硬件完结闭环反响操控，取得安稳的电压和电流输出。模仿操控实时反响体系状况，呼应速度较快，但是在测验技能范畴和仪器产品中，模仿体系安稳性不能满意实践需求。为了取得高安稳功用，需求增加很多元器材进行环路补偿。并且，负载、环境改动以及反响环路中元器材的寄生参数、漂移、老化、不一致性等要素在必定程度上影响着体系的安稳性[1，2]。因而，在需求更快实时反响速度的高功用改换器体系中，模仿操控对输入电压和负载的杂乱改动，很难完结杰出的瞬态呼应，无法取得多状况下的安稳操控。
跟着集成电路制作技能飞速发展，很多可编程数字芯片、微处理器不断推出，数字操控改换器开端遭到人们重视。直流改换器从模仿改换器年代进入数字改换器年代[3，4]。数字操控技能中心在于数字闭环操控算法经过软件装备完结，大大削减模仿器材的运用，降低了硬件体系杂乱度，完结准确的非线性操控，也防止了因为器材参数改动、失效等形成体系的不安稳度。一起，体系中运用数字滤波器完结操控环路的零极点主动补偿功用，极大进步了环路操控功用。在数字直流改换器范畴运用比较老练的操控芯片首要是MCU或DSP，但因为速度受限[5，6]，为此学者开端将要点转移到FPGA上，例如文献[7-9]。但是文献[7-9]中心在于脉宽调制技能，本文提出一种新的规划方案，研讨一种运用FPGA完结数字操控技能的程控直流改换器，完结了高安稳的电压、电流输出。
1 方案规划
1.1 体系规划
与传统模仿循环操控直流改换器比较，数字操控直流改换器具有较高的安稳性、可靠性和灵活性，且可以习惯较杂乱的动态负载。数字程控直流改换器电路框图如图1所示，首要由5个根本电路模块组成，分别是FPGA电路、数模转化DAC电路、功率改换电路、检测电路和模数转化ADC电路。FPGA电路作为数字直流改换器操控中心器材，完结电压闭环操控和电流闭环操控。检测电路对改换器输出电压和电流信号进行收集，经过ADC电路转化成数字反响信号，送入FPGA中进行数字信号处理，与电压和电流的数字设定值进行比较。FPGA数字处理后输出电压和电流数字混合差错，经过一个DAC电路转化为模仿差错，进入功率改换电路完结电压、电流信号的非线性准确输出。
1.2 FPGA规划
FPGA选用XILINX公司XC3S2000-5FGG456C芯片，该器材不光具有丰厚的时钟资源和I/O资源，并且可重复擦除功用好，调试简略，编程便利，可以很好地满意本文规划的需求。
FPGA操控原理如图2所示，包含数字滤波、数字比较和数字积分三部分。其间数字滤波器和积分器是用户依据负载不同进行装备。经过改动积分时间常数来调度直流精度、输出呼应。数字滤波器也是自定义补偿的零极点滤波器，用于改动体系的相位，防止因为体系呼应快速而呈现过压冲击以及振动。数字滤波和数字积分构成体系的整体呼应，针对不同的负载特功用够自定义数字滤波器和积分器，然后取得抱负的直流输出。
2 首要硬件电路规划
2.1 功率改换电路规划
功率改换电路是本文硬件电路规划的要点，首要是完结能量转化，用于功率输出或吸收功率，但一起影响着改换器的输出纹波、噪声、转化功率和安稳度等功用，其电路图如图3所示。V12、R79、R80、C143、C145组成具有稳压功用的有源滤波器。运用V12的电流扩展效果，将基极纹波按捺才能扩展，大大减小滤波电容器的容量，明显进步了电路的滤波效果。V13、V14是差分对管，与R81、R82、R83、R85、R86构成单入单出差分扩展电路，将V13基极信号转化为V14集电极信号输出，送入V16基极。V15、V18、V23、R84、R88、R89、R91、C146组成恒流源电路，进步扩展电路输入阻抗，一起起按捺共模信号，供给电流的效果；其间V23是双二极管，为V15和V18供给偏置电压，并经过R84、R91设置恒流值。V16和R86组成共射极扩展电路，映射V13基极信号改动。V17、R90、R409和R410组成VBE扩展电路，其效果是为V19、V22供给恰当的直流偏置以消除V19、V22交越失真。双二极管V38向V39、V40供给一个恰当的偏压，确保V39、V40处于微导通状况，防止V39、V40发生交越失真。V20、V21、R78、R95、R96和R179构成双向电流维护电路，R78为电流监督电阻，经过反响其两头电压差来操控V20、V21通断。一旦正向输出过流，R78两头电压大于V20的BE结电压，V20导通，V19、V40关断，输出被约束；反之，逆向输出过流，R78两头电压大于V21 BE结电压，V21导通，V22、V39关断，输出被约束。R404、R405、R406、R407、C324、C325将输出信号引回输入端，为功率改换电路供给负反响，确保操控环路安稳，并有用按捺输出噪声。
2.2 DAC电路规划
DAC电路如图4所示，将FPGA输出的数字差错信号转化为模仿差错信号，完结对功率改换电路的操控。其间，DA转化器选用14位高速低功耗器材AD9744，作业频率78 MHz，彻底满意体系对精度和带宽的要求。运算扩展器N86和N87挑选高速低噪声AD8021ARM，其明显特点是输入失调电压低、转化速率快。AD9744和AD8021ARM的装备为功率改换电路供给了高速高精度的驱动保证。
2.3 ADC电路规划
ADC电路将模仿反响信号转化成数字信号供给给FPGA进行处理，分为电压ADC和电流ADC两路，但电路原理相同，电路如图5所示。AD转化器的位数直接决议着体系分辨率和精度，为此选用24位高功用器材AD7760，输入频率为39 MHz。
3 软件规划
在数字直流改换器中，硬件电路是软件装备的根底，软件装备是硬件电路的魂灵，担任体系的运转办理。图6给出了数字直流改换器体系具体作业流程。
开机后，FPGA首要下载装备程序，体系对电压ADC和电流ADC寄存器进行写操作，并对电压档位操控继电器、电流档位操控继电器、输出继电器等进行初始化。然后，体系进入自检和校准形式。假如体系自检和校准经过，进入下一步，不然软件关断输出继电器。自检和校准完结后，输入体系电压和电流设定值，并设定相应的作业形式，待电压和电流反响回路的档位设定后发动主ADC和从ADC，此刻电压和电流闭环操控树立，体系开端作业。若没有过压或过流维护，那么体系对外输出信号，不然体系停机。体系作业时，软件一起监测依从ADC输出，若依从ADC输出大于设定值，则体系主动切换作业形式。其间，主ADC和从ADC依据改换器作业形式而定。电压源形式，主ADC和从ADC分别为电压ADC和电流ADC；电流源形式，主ADC和从ADC分别为电流ADC和电压ADC。
4 试验成果
图7中(a)～(i)是运用示波器丈量得到的空载、阻性负载和容性负载条件下，不同输出电压等级下实践纹波波形，表1是其对应电压输出值。从表1中看出不管在何种负载条件下，数字程控直流改换器的输出都是在一个比较小范围内改变，输出很安稳且精度高，高达万分之六。一起对比图7中纹波波形图发现数字操控直流改换器的输出纹波最大仅40 mV，在容性负载条件下乃至小于10 mV，且在同一负载特性下，输出纹波简直不受输出电压影响。
5 定论
本文论述了数字程控直流改换器的规划方案、硬件电路、软件规划，给出了改换器的实践成果。实践丈量标明：运用FPGA为中心的数字电压/电流闭环操控技能可以完结，且改换器取得了安稳高精度的输出，其输出纹波也十分小，最小能到达10 mV。别的，改换器削减了模仿器材的运用，降低了硬件体系杂乱度，可以完结准确的非线性操控，防止因为器材参数改动、失效等形成体系的不安稳度，动态负载习惯性强。因而在精密仪器和测验范畴具有很好的运用价值。
