【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 轉(zhuǎn)化成為有一定占空比的時(shí)間脈沖信號(hào)來(lái)控制功率管的開(kāi)與關(guān)。譬如說(shuō)，一個(gè) 4 位的 DPWM，輸入的 2 進(jìn)制數(shù)有 4 位，可以代表從小到大的 16 級(jí)占空比。在一次開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通 過(guò) DPWM 自己內(nèi)部的高頻計(jì)數(shù)器數(shù)值與輸入的占空比數(shù)值相比較，來(lái)控制翻轉(zhuǎn)輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)功能。如圖 41 所示，輸出的 PWM 波形每個(gè)周期開(kāi)始被置位，當(dāng) 逐漸增長(zhǎng)的數(shù)字計(jì)數(shù)器的值等于輸入占空比信號(hào)的值時(shí)，波形翻轉(zhuǎn)完成一次動(dòng)作。 式 (41)表示著系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率和 DPWM 計(jì)數(shù)器的頻率關(guān)系。為了提高輸出電 壓精度， DPWM 的位數(shù) n 不斷提高。于此同時(shí)，需要的系統(tǒng)計(jì)數(shù)頻率隨著 DPWM 位數(shù)的提高而成指數(shù)關(guān)系上漲。當(dāng)數(shù)字電源的開(kāi)關(guān)頻率 .人 w為 1 MHz, DPWM位數(shù)為 l0bit時(shí)，可以得出計(jì)數(shù)器需要的頻率達(dá)到了 1 GHz。這樣高的頻率是不能接受的。對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，我們是基于標(biāo)準(zhǔn)單元的設(shè)計(jì)，我們也無(wú)法讓標(biāo)準(zhǔn)單元在這樣高的頻率上正常工 作。為了解決系統(tǒng)對(duì) DPWM 精度要求與過(guò)高的技術(shù)頻率直接的矛盾，數(shù)字電源的先驅(qū)們?cè)O(shè)計(jì) 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 15 頁(yè) 了幾種其他形式的 DPWM 結(jié)構(gòu) 2，延遲式 DPWM 不使用高頻時(shí)鐘的最直接的方法就是使用延遲線(xiàn)。延遲線(xiàn)通過(guò)使用占空比控制的數(shù)據(jù)選擇器來(lái)來(lái)選通延時(shí)長(zhǎng)度，來(lái)達(dá)到提供不同的占空比波形的效果。整條延遲鏈延遲長(zhǎng)度應(yīng)該為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。先進(jìn)的延遲鏈都配備有延遲鎖定環(huán) (DLL)來(lái)校準(zhǔn)延遲鏈，使得延遲單元的延遲長(zhǎng)度恰好等于占空比一個(gè) LSB 的時(shí)間增量。但是隨著 DPWM 位數(shù)的提高，延遲鏈的面積也按照指數(shù)形式上漲，難以接受全部使用延遲所帶來(lái) 的面積代價(jià)。因此純粹的延遲式 DPWM 并沒(méi)有太多的應(yīng)用空間。 3，混合式 DPWM 在 2022 年科羅拉多大學(xué)的數(shù)字電源先驅(qū)提出了一種混合的 DPWM 結(jié)構(gòu)。 DPWM 由數(shù)字計(jì)數(shù)比較器和觸發(fā)器構(gòu)成的自振蕩環(huán)路構(gòu)成。輸入的占空比被分解成為高低兩部分。高位用來(lái)與內(nèi)部的計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較，低位用來(lái)選通自振蕩脈沖信號(hào)。其中計(jì)數(shù)器使用的時(shí)鐘來(lái)源就是自振蕩的信號(hào)，無(wú)需外圍時(shí)鐘資源，在精度和高頻時(shí)鐘之間做了很好的折衷。 PWM波的實(shí)現(xiàn)采用了 RS觸發(fā)器，觸發(fā)器的 S端每個(gè)周期開(kāi)始都被觸發(fā)，使得觸發(fā)器置位。在占空比低位信號(hào)選通的脈沖信 號(hào)通過(guò)高位比較器控制的與門(mén)后清零觸發(fā)器，功率管關(guān)斷。 田 晨：大功率脈沖變換器高頻化技術(shù)研究 第 16 頁(yè) 基于 FPGA 編程實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)倍頻控制的高精度 PWM 波 數(shù)字“抖動(dòng)” 首先來(lái)介紹一種以 FPGA 為載體， 基于計(jì)數(shù)方式的數(shù)字 PWM上使用數(shù)字“抖動(dòng)”來(lái)提高DPWM的精度，精度達(dá)到 500ps。 數(shù)字“抖動(dòng)”是基于輸出電壓平均值的原理。假設(shè)每 4個(gè)輸出數(shù)字 PWM波形中有一個(gè)脈沖增加了一個(gè) LSB所對(duì)應(yīng)的寬度。圖 2示出數(shù)字“抖動(dòng)“示意圖。 DPWM控制主電路開(kāi)關(guān)管的通斷，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平均值增加 1/4個(gè) LSB所對(duì)應(yīng)的輸出電壓值，相 應(yīng)的 DPWM的輸出精度就提高到 1/4個(gè) LSB。 即式中 DPWMN —— — DPWM模塊輸入數(shù)字量的位數(shù) inU —— — 輸入電壓 同理，可實(shí)現(xiàn) 1/2個(gè) LSB和 3/4個(gè) LSB。圖 3示出兩位數(shù)字“抖動(dòng)”的實(shí)現(xiàn) 。 兩位數(shù)字“抖動(dòng)”的輸出電壓最小變化量為： ininm in 2 12 141 UUU D IT H E RD P W MD P W M NNNo ????? 對(duì)比： inNo UU D PW M eff_2 1m in ?? 式中 effN _DPWM ——— 輸入數(shù)字量的等效有效位數(shù)， effN _DPWM = DPWMN + ditherN ditherN ——— 數(shù)字“抖動(dòng)”的位數(shù) 由式（ 3）可見(jiàn)， ditherN 的數(shù)字“抖動(dòng)”可使 DPWM模塊的有效位數(shù)增加 ditherN 位。 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 17 頁(yè) 數(shù)字抖 動(dòng)的 FPGA實(shí)現(xiàn) 目前，主要是通過(guò)查表方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字“抖動(dòng)”。圖 4示出數(shù)字“抖動(dòng)”的實(shí)現(xiàn)框圖。 圖中 swf ——— 主電路開(kāi)關(guān)頻率 effN _DPWM 位數(shù)字量的低 ditherN 位決定了數(shù)字“抖動(dòng)”的生成方式，其中兩位“抖動(dòng)”的實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖 3[3]。表 1給出 ditherN =2位時(shí)數(shù)字“抖動(dòng)”生成方式的查找表。表 2給出 3位數(shù)字“抖動(dòng)”的查找表 [3]。要 在 FPGA上實(shí)現(xiàn)數(shù)字“抖動(dòng)”，需配置 ditherN ditherN 位的查找表和 ditherN2 位的計(jì)數(shù)器。 程序 根據(jù)數(shù)字抖動(dòng)的實(shí)現(xiàn)框圖，如下： 田 晨：大功率脈沖變換器高頻化技術(shù)研究 第 18 頁(yè) 編譯相關(guān)程序?yàn)椋? 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 19 頁(yè) 原理 田 晨：大功率脈沖變換器高頻化技術(shù)研究 第 20 頁(yè) 在 QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì) 基于 QuarterII 的設(shè)計(jì)流程 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 21 頁(yè) 模型搭建 田 晨：大功率脈沖變換器高頻化技術(shù)研究 第 22 頁(yè) 仿真過(guò)程及分析 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 23 頁(yè) 第 4 章 總結(jié) 這 次畢業(yè)設(shè)計(jì)我做的大功率脈沖變換器的高頻化研究。之前沒(méi)有了解過(guò)到底什么是高頻化的脈沖變換器，以及 FPGA，通過(guò)這幾個(gè)月學(xué)習(xí)，首先了解到了高頻脈沖電源的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，動(dòng)態(tài)和研究熱點(diǎn)的問(wèn)題，并且設(shè)計(jì)出一種倍頻電路，該電路是基于交錯(cuò)并聯(lián)控制為基礎(chǔ)，輸出電壓頻率為每一個(gè)控制管頻率的 2倍，大大的降低了每一個(gè)管子的負(fù)荷。最后還學(xué)習(xí)到了關(guān)于 FPGA 的許多知識(shí)，最主要的是對(duì) FPGA的研究以及對(duì)于如何產(chǎn)生高精度的 PWM波，本文利用了一種數(shù)字“抖動(dòng)”的方法，其原理是基于輸出電壓平均值的原理，還有根據(jù)其實(shí)現(xiàn)框圖來(lái)完成相應(yīng)的編程并 且在 QuarterII 軟件內(nèi)實(shí)現(xiàn)仿真，通過(guò)這個(gè)過(guò)程也讓自己明白了以前做的設(shè)計(jì)過(guò)于理想化，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)現(xiàn)狀和現(xiàn)實(shí)的根據(jù)太少，比如我所配置的 PWM波的頻率只有 500010000之間進(jìn)行波動(dòng)，而現(xiàn)實(shí)生活中很多都是有著幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)的頻率要進(jìn)行研究。因此有許多東西都是按照自己的理想去做，而實(shí)際的設(shè)計(jì)更多的是從現(xiàn)狀和現(xiàn)實(shí)出發(fā) 使規(guī)劃更合理、更實(shí)用、更有發(fā)展。同時(shí)在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到了很多的麻煩，最難的莫過(guò)于 FPGA的編程過(guò)程了，大量的新語(yǔ)言都需要自己去慢慢學(xué)習(xí)，最終在還是一點(diǎn)一點(diǎn)的攻克了下來(lái)。 這次畢業(yè)設(shè) 計(jì)也暴露出自己專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力，對(duì)材料的不了解，對(duì)具體設(shè)計(jì)涉及到的規(guī)范要求的不熟悉等等，需要在做的過(guò)程中需要去不斷的翻閱相關(guān)的資料和書(shū)籍，這降低了自己的速度和設(shè)計(jì)的進(jìn)程，但這個(gè)過(guò)程對(duì)我來(lái)說(shuō)是對(duì)自己知識(shí)的不足處的一個(gè)很好的補(bǔ)充和對(duì)已學(xué)過(guò)知識(shí)的一個(gè)鞏固。這個(gè)過(guò)程雖然是有一定的難度但還是通過(guò)自己的慢慢的摸索和老師的指導(dǎo)下從熟悉到上手，經(jīng)過(guò)這次努力對(duì)自己的信心很好的提高。通過(guò)這樣的一個(gè)自己從開(kāi)始到結(jié)束全程自己參與的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)對(duì)知識(shí)的了解和掌握是純理論的學(xué)習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的效果。這次實(shí) 踐是對(duì)自己大學(xué)四年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己知識(shí)還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長(zhǎng)，以后更應(yīng)該在工作中學(xué)習(xí)，努力使自己 成為一個(gè)可以參與工作能獨(dú)立完成設(shè)計(jì)的人。 田 晨：大功率脈沖變換器高頻化技術(shù)研究 第 24 頁(yè) 第 5 章 致謝 歷時(shí)將近兩個(gè)月的時(shí)間終于將這篇論文寫(xiě)完，在論文的寫(xiě)作過(guò)程中我遇到了無(wú)數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過(guò)了。尤其要強(qiáng)烈感謝我的論文指導(dǎo)老師陳桂 濤老師 ， 他對(duì)我進(jìn)行了無(wú)私的指導(dǎo)和幫助， 不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)。陳桂濤老師 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)、誨人不倦的敬業(yè)精神以及 寬容的待人風(fēng)范使我獲益頗多， 老師平時(shí)加強(qiáng)畢業(yè)設(shè)計(jì)的輔導(dǎo)，我們還可隨時(shí)找老師進(jìn)行答疑，老師為方便我們聯(lián)系，把電話(huà)號(hào)碼和 Email地址留給了我們，如果有什么事就可以及時(shí)得到解決，這樣問(wèn)題不致堆積、也不會(huì)因此拖了進(jìn)度。 在本學(xué)期初期，由于要自己要參加英語(yǔ)輔導(dǎo)班以及參加英語(yǔ)的研究生入學(xué)考試，時(shí)間非常緊張，而陳桂濤老師沒(méi)有給我太重的任務(wù)，讓我一心專(zhuān)注于英語(yǔ)，告訴我自己的前途更重要，至 今我仍然記憶猶新。非常感謝陳老師的支持。 其次，我要鄭重感謝我的學(xué)長(zhǎng)，在前期我落下的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容，沒(méi)有王博學(xué)長(zhǎng)的悉心指導(dǎo)，我是絕對(duì)完成不了的，同時(shí)學(xué)長(zhǎng)也知道我的進(jìn)度落下很多于是保持著每周都與我見(jiàn)面，詢(xún)問(wèn)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，在周內(nèi)頁(yè)是時(shí)常督促我抓緊時(shí)間做畢業(yè)設(shè)計(jì)，而且在后期的原理方面也是給我悉心指導(dǎo)，令我有非常大的收獲。 最后 ，感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者教授，本論文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文 獻(xiàn)， 如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫(xiě)作。 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)