基于FPGA的船用开关电源的设计

山东省青岛第二中学　邱音良



基于FPGA的船用开关电源的设计

山东省青岛第二中学邱音良

【摘要】由于目前船舶上的设备，如北斗导航、探鱼仪等仪器一般都由蓄电池供电，但是电压等级最大为12V。而蓄电池充满电时电压会达到14.7V，会烧坏用电设备。本文设计的开关电源是专门为船电电压为直流电压的船舶而设计的船用电源。它将直流15～48V电压转换成直流12V电压取代蓄电池为北斗导航、探鱼仪供电。

【关键词】FPGA；DC-DC 变换器；数字脉宽调制(DPWM)

1　引言

电源是各类电子设备的重要组成部分，开关电源被誉为高效节能型电源。开关电源技术作为电源电压变换的新技术，由于变换方式简单，成本低，体积小、重量轻、输出电压易于调整等，开关电源的应用越来越多

本文设计的开关电源是专门为船电电压为直流电压的船舶而设计的船用电源。它为各种电子器件提供工作电流，其供电性能将会对船用电子装置的工作总时长及性能带来很大的影响。由于目前船舶上的设备，如北斗导航、探鱼仪等仪器一般都由蓄电池供电，但是电压等级最大为12V。而蓄电池充满电时电压会达到14.7V，会烧坏用电设备。本文设计的开关电源是专门为船电电压为直流电压的船舶而设计的船用电源。它将直流15-48V电压转换成直流12V电压取代蓄电池为北斗导航、探鱼仪供电。本文研究的船用数字开关电源控制器具有一定的实际意义。

2　系统总体方案设计

本次设计电源为QD-SZ2412 开关电源，主要适用于大功率DC/DC电源变换场合，可以作为更大功率的需求，总体设计方案在整个高频开关电源系统的设计中处于重要位置,因此,结合设计技术要求，根据开关电源的技术指标提出合理的设计方案，同时使系统各个部分能够协调工作。

图1　开关电源原理图

2.1开关电源原理图

开关稳压电路中拥有换能模块，可以实现直流信号向脉冲信号的转换过程，接着将产生的脉冲信号通过LC滤波器的处理转变为直流信号，开关电源如图1所示电路中，输入电压Ui属于直流信号，并且尚未经过稳压处理；晶体管T属于调整管，也被叫做开关管，电感L和电容C组成滤波电路，D为续流二极管，输出电压U0。

2.2技术要求

QD-SZ2412开关电源用于大功率DC/DC电源变换场合，主要做为安全工作电压范围内的应用，本电源可以单独配置，也可做冗余配置，具有并联工作模式，可以作为更大功率的需求，也可以确保在一块电源插件出现故障时装置仍能正常工作。

2.3主电路结构

本文研制的12V/200A高频船用开关电源，其功率功能组件包含有：高频变压器、输出整流滤波电路、输入整流电路等，上述功能组件中前两种综合起来又被统称为DC/DC变换器。

2.3.1单端反激电路

作为反激式开关电源的关键部件反激式直流-直流变换器，在电源系统中起着重要的作用，其内部的电路如图2所示。该类型电路通常应用于功率不大的电源系统中或开关电源的部分辅助控制电源中。它能够提供最高为100%的占空比。

图2　直流变换器

2.3.2单端正激电路

作为正激式开关电源的关键部件正激式直流-直流变换器，在电源系统中起着重要的作用，其内部的电路见图3。该种类型变压器的功效效率很高，运行时所需占空比低于50%，运行频率一般是振荡频率的1/2，控制芯片通常使用的型号是UC3844与UC3845。可应用于中等功率的电源系统中，若采用双管电路形式，能够进一步提高其功率。一般情况下，功率变压器是不需要开气隙的，但通常需要在其中增添除磁绕组，在关闭同时将副边信号传递至输入端。

图3　正激电路原理图

2.3.3推挽电路

图4中给出了推挽式功率变换电路原理图。该电路中输入电压值不高，其中包含的两个开关管所能承受的极值电压通常是输入的2倍，由此多数应用于DC/ DC电源内。该电路通常使用于中等功率电路中，其中变压器需要进行双向激励，具有较高运行功效，可是其中经常出现磁偏问题。和正激电路相比，它的功率要高一些，可是却含有开关管“直通”隐患。在运行过程中，开关管V1、V2顺次导通或断开。当二者都处于导通状态时，W1与W2中会导入工作电流，此时变换器次级可以输出功率。若前者导通，后者关闭时，V2集—射两端将会出现值为2*Uin的压差，当二者都处在关闭状态时，其周围的电压为Uin。

图4　推挽式功率变换电路原理图

2.3.4半桥拓扑

半桥电路拥有2个功率开关管，再借助2个相互串联的电容器来组建回路，通过上述开关管的顺次导通带动高频变压器实现电信号的传输，其中变压器属于双向激励类型。该电路中也存在磁偏缺陷，也可能出现“直通”现象。但是在为变压器提供相同的运行条件时，半桥能够比推挽电路输出更大的功率。如图5所示。C1与C2的功能是确保电路的静态分压，即Ua=1/2Uin。当V1导通，V2关闭时，输入电流流向如图虚线所示，由此C2处于充电状态，此外此时V2输入输出端电势差为输入电压Uin；反之，当V1关闭，V2导通时，输入电流流向如图实现所示，由此C1处于充电状态。

图5　半桥拓扑结构

上述几种电源的共有特征是：包含有高频变压器，直流稳压功能是由变压器次级绕组高频脉冲电压整流滤波提供的。变压器中输入输出电压两侧是分隔开来的，或者是局部分隔，输入电压来源于对交流市电进行整流后获得的直流高压电。

2.3.5全桥拓扑

全桥电路通常应用于功率较大的电路中，其中拥有由4个开关管构成的2个桥臂。桥臂各自同激励高频功率变压器相连同，从而实现能量转换，可是有可能出现“直通”现象。该电路组成图见图6，其中含有4个开关管，即V1～V4，变压器T处于桥臂中间位置，起连接作用，对应的开关器件被划分为两组，即V1、V4与V2、V3，两组器件顺次导通或关闭，驱动T的次级输出电压。当第一组器件处于导通状态时，另外一组则关闭，此时V2与V3两端电势差为Uin。在器件关断时出现的尖峰电压通过电路中二级管的作用箝位于Uin。

图6　全桥拓扑结构

2.4控制电路结构

设计过程中采用的FPGA型号为EP2C8Q208C8，它的价格相对较低，但是性能比较出色，属于Altera企业制造的Cyclone II代FPGA。控制电路主要包括PWM脉冲波及驱动电路、采样电路、保护电路、人机界面、PFC模块。

发出PWM脉冲的电路在受到驱动电路放大后，能够对功率单元的输出进行控制；采样电路能够及时收集主线路中的输出电压与电流信号，从而实现对电源运行状况的及时监控；此外还包括各种保护电路，通过它们可以实时监控电源的运行状况，构建面向电源的保护体系；人机交互界面可以有效地监控电源的工作状态,上位机通信电路能够使电源实现远程控制功能。

结合开关电源的技术要求，控制电路采用目前应用广泛的UC3854控制芯片，它的16管脚按照设计需求产生拥有固定占空比的连续脉冲信号从而实现控制主线路中开关晶体管的导通与关闭，进而能够在一定范围内改变输入电流与电压的相位角，使其达到一致，最后实现对功率因数的修正。

2.5PID控制方法

数字信号处理器很大程度上促进了数字控制模式在实际应用中的使用，其中有很多形式的控制模式，例如PID、模糊、神经网络、无差别等类型控制模式。在具体生产实践中，使用十分普遍的调节其控制方式是基于比例、积分及微分的控制，又被叫做PID控制或调节。以下对现在普遍使用的两种数字控制模式进行简述。

（1）过去使用的PID控制器是基于受控主体精确的数字模型而工作的。但在应用中，电源的影响因素种类繁多，使得上述模型的建立很难实现。上述问题可以通过模糊控制解决，该方法主要针对多参数、非线性、多因素的生产环节，操作经验丰富的员工可以依照持久的工作经历进行合理地控制。该方法优点是：无需建立精确模型，即可按照系统的输入输出相关数据，同时参考工人的实操经验，就能够实现针对系统的实时控制。从理论层次出发，该方法能够以任意精度水平逼近任何非线性函数，可由于相关领域研究尚不充分，模糊变量分档和函数的建立尚未拥有一个标准的体系来对其进行规范，由此，仍需要在该领域投入大量的研发精力。

（2）数字PID控制方式一经推出，使得上述问题得到了有效解决，开关电源PID控制中针对实际问题能够快速集成多种多样的补偿及控制方式，同时能够很容易实现控制器变量值的配置。PID算法现已成功解决了众多控制方面难题，它是由微机、单片机等芯片实现的，其软件的应用较为灵活。PID算法具有多样性，不同的使用环境针对算法的需求也是不一致的。

从上述内容可以发现，过去的开关电源大多数使用模拟PID控制方式，在该方式前提下，设计出与之相匹配的硬件电路是不容易实现的，同时还会使得系统的稳定性降低，调整变量较难整定。因为高频开关电源系统带有非线性特性，所以针对其构建精准的数学模型是不现实的，还需要系统拥有较强的鲁棒性，此外还应具有较高的一致性、稳定性与易调整性，基于以上几点，系统控制方式采用数字PID模式。

3　硬件系统设计

通过上述分析，根据船用开关电源的技术要求，该方案主要由PWM控制模块、开关管、滤波电路等模块构成，通过上述模块的有效组合形成了功能完善的高频开关电源系统，输入电压信号通过上述模块的处理与转换后，能够确保输出端对外持续提供12V稳值直流电压。设计框图7如下所示：

图7　电源设计原理图

图8　EMI整流电路

3.1EMI模块

在开关电源输入端设置有EMI滤波器，它属于双向滤波范畴，主要有电容及电感元件组成，提供低通滤波功能，不仅能滤除由交流电源带入的外界无用电磁信号，还能够有效抑制装置自身向外界传递噪声型号，该模块电路图如图8所示。

3.2电源模块

因为FPGA中需要用到幅值为3.3V与1.2V直流电源，上述电源分别是由外部电压为5V的直流源通过型号为LM1117-3.3与LM1117-1.2芯片转变获得的，电路如图9所示。

图9　电源模块

3.3驱动电路

FPGA输出信号是幅值为3.3V的CMOS电平，如果电压值过小，可能无法正常驱动IGBT或MOSFET管，电压必须通过隔离与功放电路处理后才可有效驱动功率开关管，驱动电路对电源有着十分明显的影响，其提供的脉冲电压幅值及波形的起伏趋势都会对晶体管的部分参数造成一定程度的影响，其中含有饱和压降、存储时长、开关瞬时性能等，驱动电路如图10所示。

图10　驱动电路原理图

此外，驱动电路还会影响到驱动电压的工作性能，若设计考虑不周全，就会使得功率管内的发热功率迅速增加。开发系统中选用的IGBT管的驱动电路应符合下列要求：

（1）因IGBT是电压型控制器件，它会限定栅-射极的电压信号幅值大小，此外旨在避免其出现误导通现象，还需要确保其拥有给定幅值关断负压；

（2）要对驱动电路的输入及输出电压进行隔离处理；

（3）驱动信号的“开路脉冲”斜率要大；

（4）为避免栅-射极两端因为驱动信号Vgs电压值超过其可承受范围而造成的击穿问题，应该在其中以串联形式接入2个反向击穿电压在20V左右的肖特基二极管。

（5）驱动电路常用的隔离方法有两种即变压器及光稱隔离，其中后者被应用于本次开发的系统中，选取高速光偶6N137隔离控制、驱动电路，经过放大电路作用后光偶输出电压得到放大，并在栅极中串接一个电阻从而实现对芯片输出信号上下沿的调整与控制。

4　系统软件设计

系统涉及的全部逻辑控制功能都是由FPGA提供的，将QuartusII 11.0用于FPGA开发，用ModelSim 6.5e实现电路仿真，编程选择Verilog HDL语言。

虽然Verilog在语法定义方面同C语言非常类似，可是两者的编程思维模式是完全不一样的：Verilog代码在FPGA中是并行执行的，这和C语言的串行方式是截然不同的；Verilog属于面向对象的编程语言，其在描述电路时，需要确保其语法程序同电路图相对应，而C的编写是面向过程的，和实际电路不具有对应关联，只要是遵守语法准则的代码都可实现编译，进而获得汇编程序或机器语言并通过CPU获得运行。

FPGA数字控制器含有模块为：采集与滤波、ZVZCS数字PWM驱动波的发出、与上位机通信模块、保护及状态显示监控、数字补偿器。电源系统FPGA程序框图如图11所示。

图11　电源系统FPGA程序框图

5　电路板可靠设计

如今，进行开关电源设计过程中，一个不得不考虑的问题就是功率开关管在短时间内进行导通与关断操作时出现的电磁干扰。与此同时，进行高速电路板设计过程中，一个不得不面对的难题是确保信号完整可靠。

在参照原理图的基础上进行电路板设计过程中，对印刷电路板(PCB)进行科学合理的研制是不可或缺的重要步骤。若PCB设计得当，布局得体，一方面能够通过最少的支出减少电磁干扰，另一方面，对高速电路来说，可以有效确保其信号不会出现缺失。

对本文研究的电源系统而言，进行PCB设计过程中，内容涵盖了控制板的设计，驱动板的安装，主电路板的布局等若干板块。进行线路布局时，不得违背这些基准。

（1）布线时，线和线间的间距适当拉开一些，降低由电容稱合带来的干扰；

（2）最大程度上减弱器件与大地端口连接的信息强度，并使电源与接地端口间的连线距离最短，减少因为噪音带来的阻抗；对器件电源与地而言，必须配置相应的去親电容，且确保与器件管脚间距最短；

（3）最大程度上确保走线最短，从而减少各电路噪音讯号的传播；

（4）对高频信号线进行布局工作予以重视。尽可能和能够发出高频噪音的电源线保持最大间距；若部分线路接通的难度十分巨大，则能够通过“跳线”的方式进行接通处理；最大程度上缩小信号环路范围，范围缩小后，其对外界进行辐射的程度便会减弱，外部EMI对信号进行干扰的可能性便进一步降低；

（5）进行信号线布线时，相邻层禁止进行平行走向布线。进行垂直或交叉布线，都能够切实减少不同电路间信号出现相互干扰的。

进行样机PCB布局时，线路布局并非单纯地追求把电路板进行布通，其一方面要确保信号不缺失，保证电磁能够相互兼容，且需要采取措施避免信号出现干扰等；另一方面，对电路板的整洁性也有所要求，看起来要相对美观些。

6　电源散热系统的设计

从两方面设计散热模块，先是计算了系统中发热量较大器件的功率损耗。接着依照计算数据，合理地设计散热结构，并且基于电源额定运行状态，对散热模块的进行了相关仿真。

开发电源散热方式为风冷，主要是因为电源工作功率及内部元器件损耗较低。由此如果能够合理的布置散热通道，分冷方式完全能够符合系统散热要求，此外使用风冷的电源对于工作环境的要求较低，移动方便。

基于以上分析，本散热系统采取风冷。基于应用环境出发，根据所以器件能耗分布情况，散热布局为：功率单元箱体内布置散热通道及风扇，一共安装有2个散热风机实现电源散热。

7　系统仿真与实验结果

目前用于系统仿真并且倍受欢迎的软件有PSPICE、SABER、MATLAB等。MATLAB中SimPowerSystems组件功能完善，MATLAB注重电子器件的外部特性，因此便于其同控制端口连接，使得仿真形式更直观。由此选取MATLAB实现仿真。

对开关电源系统方案进行设计：选用全桥逆变电路；全波整流通过带中心抽头的高频变压器实现；研究了控制策略及硬件设计；并对器件的重要参数进行了计算。基于以上结果，本章针对已完成的电源开发方案进行仿真，通过建立的仿真模型，对理论方案进行验证，基于建立的模型，设计出12V/200A的船用开关电源，测量器件输出波形，验证方案可行性。

7.1电路模型仿真

根据散热方案，计算器件能耗，由结果进行电源结构布局；接着在布局基础上，针对电源箱体的开展散热仿真工作，目的是验证结构布局的有效性。基于前文的设计方案，在MATLAB中建立面向系统的仿真模型，其结构如图12所示。

7.2结果分析

基于仿真结果，及根据之前系统的设计方案，最终开发出200A/12V船用开关电源。

7.3热稳定性分析

为了检验散热方案的有效性及散热仿真模型与实际电源系统的吻合程度，测试电源的热稳定性。

测试状态：

（1）环境温度：25℃；

（2）输出恒定电流形式：输出电流及电压数值分别是200A及12V；

（3）试验时长：4h；

（4）试验器材：Fluke红外温度测试仪。记录的数据如表1所示：

表1　热稳定性分析表

从上述试验数据可以看出：电源的所有期间一般在2h之后形成稳定状态。所有器件工作温度正常，IGBT温度最终在12℃附近浮动，变压器最终在13℃附近浮动，快恢复二极管最终在18℃附近浮动，以上数据很好地证明了散热方案的有效性及散热仿真模型与实际电源系统的吻合程度较高。

图12　Matlab仿真电路图

8　结束语

在前文的设计分析前提下，本章对系统电路进行了全面的仿真。接着根据建立模型，开发出一台200A/12V船用开关电源。并且对电源实物进行了相关试验证明了仿真模型同实际电源系统具有很高的吻合程度。并且对电源做了热稳定性试验，获得数据表明在额定工况下，所有器件的工作温度正常，由此说明散热方案是有效的。

本文重点研究了全桥变换器的工作过程，在MATLAB对电源功能电路及散热体系模型，并对其进行了系列仿真，之后开发出一台200A/12V风冷式开关电源。

经过以上研究获得了以下结论：

（1）在开发环节中，全桥变换器的良好性能与开发方案的正确性得到了验证。

（2）详细计算了电路重要器件的部分参数，这为电源系统的开发提供了很重要的参考。

（3）验证了以CyelonellEP2C8Q208C8为核心控制器的数字控制电路及其对应的数字控制方式能够更为有效的对电源进行控制。

（4）在工作环境确定前提下，基于设计的系统结构，对散热通道进行了最优化布置，并通过仿真验证了散热系统有效性。接着对开发电源进行了实物试验，通过在正常工作环境下，对不同器件达到稳定状态后的温度进行测量，从而证明了散热通道的布局是非常合理的。

（5）建立主电路仿真模型，结果证明了设计参数是非常正确的。

参考文献

[1]张占松.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

[2]曲学基.稳定电源电路设计手册[M].北京:电子工业出版社,2003.

[3]王学智.开关电源的原理与发展趋势[J].科苑论谈,2005.

邱音良（1998-），山东省青岛第二中学学习，主要研究方向：现代检测与控制技术，积极参加创新活动，承担了3D打印机的制作任务。

作者简介：