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基于SOC的低纹波数字DC/DC电源研究

作　者: 胡杰
导　师: 张东来
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 数字电源 片上系统 混合信号FPGA 零纹波
分类号: TN86
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 109次
引　用: 1次
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内容摘要


随着复杂系统对其供电电源功能的要求越来越高,很多场合传统的模拟电源已经无法满足需求,数字电源以其在可靠性、灵活性、远程控制、实时监视、故障处理等方面的独特优势,得到了广泛应用。尤其在DC/DC领域,数字电源刚刚起步,具有重要的研究价值和经济效益。片上系统(SOC)技术可将A/D转换器、模拟开关等器件集成到单一的控制芯片内,从而简化数字电源的结构,提高数字电源的性能,降低数字电源的开发和调试难度。针对同步BUCK功率拓扑结构,通过理论分析和实验得到了功率拓扑的电路参数。利用状态空间平均法建立了功率拓扑的数学模型。基于频率响应对双零点/双极点型数字DC/DC控制器进行了理论研究。利用MATLAB的SISO工具箱,设计了控制器的参数,同时通过对动态性能以及稳态性能的仿真,验证了参数设计的正确性。基于Actel公司的Fusion系列混合信号FPGA,构建了基于片上系统的数字电源,利用Verilog硬件描述语言,完成了控制系统各模块如A/D采样控制,双零点/双极点控制,数字脉宽调制(DPWM)模块等的设计。为解决输出电压开关纹波大的问题,本文对“零纹波”拓扑结构进行了研究。该拓扑结构利用耦合电感滤波网络取代传统的LC电路,以得到高频段更大的衰减率,从而有效抑制输出纹波。对“零纹波”拓扑的参数设计和频率特性,本文进行了深入的理论分析和实验研究。通过实验调试,实现了输出电压5V,输出纹波为25mV的低纹波数字DC/DC电源,测试结果表明,数字电源的稳态性能、动态性能、效率等指标完全满足设计要求。与传统BUCK电路相比,“零纹波”拓扑结构中的开关纹波得到了有效的抑制,其幅值降低了40%左右,同时基本不影响电源的动态响应和效率。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-18
  1.1 课题背景  8-10
    1.1.1 数字电源的概述  8-9
    1.1.2 片上系统(SOC)的特点  9-10
  1.2 基于SOC的数字DC/DC电源研究意义  10-12
  1.3 数字电源国内外发展现状  12-17
    1.3.1 数字控制器  12-14
    1.3.2 数字电源技术  14-16
    1.3.3 “零纹波”拓扑  16
    1.3.4 存在的问题  16-17
  1.4 研究内容  17-18
第2章 数字DC/DC电源功率拓扑的研究  18-28
  2.1 引言  18
  2.2 DC/DC功率拓扑结构和驱动电路设计  18-21
    2.2.1 功率拓扑  18-20
    2.2.2 驱动电路  20-21
  2.3 功率电路的参数设计  21-24
    2.3.1 理论计算  21-23
    2.3.2 开环实验调试  23-24
  2.4 DC/DC功率电路模型的建立  24-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章 数字DC/DC控制器的研究和仿真  28-35
  3.1 引言  28
  3.2 数字DC/DC控制算法的研究  28-30
  3.3 双零点双极点控制器参数的设计  30-32
  3.4 控制系统仿真验证  32-34
    3.4.1 输出纹波的仿真验证  32-33
    3.4.2 动态响应的仿真验证  33-34
  3.5 本章小结  34-35
第4章 基于SOC的数字控制器设计  35-47
  4.1 引言  35
  4.2 数字DC/DC控制系统硬件结构  35-37
  4.3 DC/DC电源的数字实现  37-43
    4.3.1 A/D采样模块  38-39
    4.3.2 误差处理模块  39
    4.3.3 双零点双极点控制模块  39-41
    4.3.4 DPWM模块  41-42
    4.3.5 在线调试模块  42-43
  4.4 数字DC/DC实验调试和结果  43-46
    4.4.1 稳态性能实验  43-45
    4.4.2 动态性能实验  45-46
  4.5 本章小结  46-47
第5章 “零纹波”滤波电路研究  47-56
  5.1 引言  47
  5.2 “零纹波”电路的基本原理  47-48
  5.3 “零纹波”拓扑的数学模型  48-49
  5.4 “零纹波”拓扑的参数设计  49-52
  5.5 “零纹波”拓扑的数字DC/DC实验验证  52-55
    5.5.1 输出纹波的实验验证  52-53
    5.5.2 动态响应的实验验证  53-54
    5.5.3 电源效率的实验验证  54-55
  5.6 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-62
攻读硕士学位期间发表的学术论文  62-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电设备、电信设备 > 电源
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