一种基于FPGA的可扩展数字电源控制系统和方法与流程

本发明涉及开关电源领域，特别是涉及一种基于FPGA的可扩展数字电源控制系统和方法。

背景技术：

得益于电源技术的发展，雷达供电电源也从非常笨重的线性电源改为现今普遍采用的开关电源，所占的体积也减少到线性电源1/10甚至更小；开关电源根据功率、输入输出电压、效率等要求会采用不同的主电路拓扑，常用的有半桥、全桥、LCC谐振、PFC、同步整流、软开关等，与之对应的常用控制方式有开环、调宽、调频、移相以及复合控制等。

经过多年的发展，开关电源的模拟控制技术已非常成熟，模拟控制芯片的市场占有率也非常高。但是模拟控制芯片一般只对应一种控制方式和一路电源控制，主电路的重新设计往往也需要控制电路的重新设计，增加了电源设计的复杂度和工作量；对于需要提供多种电源输出的系统比如VPX电源插件而言，传统的模拟控制方式需要对每路电源设计控制保护电路，不但增加了成本和体积，也使得设计工作变得繁琐和复杂，同时也降低了产品的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够使用电源数字控制系统驱动的控制方式并实现同时控制多路电源。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

提供一种基于FPGA的可扩展数字电源控制系统，包括电压采集隔离模块、第一扩展槽、FPGA控制模块、第二扩展槽和驱动隔离模块，其中：

电压采集隔离模块，用于将主电路反馈的电压信号转换成相应的数字信号，并经所述第一扩展槽输出至所述FPGA控制模块；

FPGA控制模块，根据接收到的电压数字信号对所述电源控制系统进行采集和监测，并经所述第二扩展槽输出控制信号至所述驱动隔离模块；以及

驱动隔离模块，用于隔离和放大所述控制信号并输出至所述主电路，以驱动所述主电路的电子开关。

进一步地，所述电压采集隔离模块包括多个电压采集单元，所述电压采集单元用于分别处理所述主电路输出的各路电压。

进一步地，所述FPGA控制模块包括系统监控模块和多个电源控制器模块，所述系统监控模块用于对所述电源控制系统进行状态监测、加电控制和通讯；所述电源控制器模块根据所述电压采集单元输出的数字信号，进行电压保护控制和PID运算并输出相应的PWM信号。

进一步地，所述数字电源控制系统中的电压采集单元的数量和所述电源控制器模块的数量是可变的。

进一步地，所述第一扩展槽和第二扩展槽均使用标准间距为2.54mm的插座。

一种基于FPGA的可扩展数字电源控制方法，应用于上述系统中，包括：

S101：将所述主电路反馈的至少一路电压信号通过电压采集隔离模块转换成数字信号后传输至第一扩展槽；

S103：所述第一扩展槽将所述数字信号传输至所述FPGA控制模块；

S105：所述FPGA控制模块读取所述数字信号并进行电压保护控制和PID运算，输出对应的PWM信号至第二扩展槽；

S107：所述第二扩展槽将所述PWM信号传输至驱动隔离模块；

S109：所述驱动隔离模块对所述PWM信号进行隔离、驱动放大并输出至所述主电路。

进一步地，所述步骤S101具体包括：

S111：将所述主电路反馈的至少一路电压分别传输至所述电压采集隔离模块的V/P转换模块；

S113：通过所述V/P转换模块将电压信号转换成数字信号；

S115：所述数字信号经光电耦合器隔离后输出至所述第一扩展槽。

进一步地，所述步骤S105具体包括：

S151：所述FPGA控制模块的电源控制器读取所述数字信号并进行P/D转换；

S153：所述电源控制器对所述转换信号进行比对并对所述电源控制系统进行电压保护控制；

S155：所述电源控制器进行PID计算；

S157：所述电源控制器根据所述PID计算结果输出PWM信号。

本发明的有益效果如下：

本发明通过利用FPGA运行的并行性、灵活性和可编程特点，解决开关电源控制路数和控制方式的扩展性问题。通过模块单元化设计，将电源控制的电压采集功能和PWM驱动隔离功能设计为可扩展方式，减小电源产品成本和体积。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明所述数字电源控制系统的示意图；

图2示出本发明所述数字电源控制系统的框图；

图3示出本发明一个实施例的数字电源控制系统的框图；

图4示出本发明所述数字电源控制方法的流程图；

图5示出本发明所述电压采集隔离的流程图；

图6示出本发明所述FPGA控制模块处理的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供一种基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的可扩展数字电源控制系统，通过利用FPGA运行的并行性、灵活性和可编程特点，解决开关电源控制路数和控制方式的扩展性问题。如图1所示，包括电压采集隔离模块、第一扩展槽、FPGA控制模块、第二扩展槽和驱动隔离模块，其中：

电压采集隔离模块，用于将主电路反馈的电压信号转换成相应的数字信号，并经所述第一扩展槽输出至所述FPGA控制模块；

在本实施例中，如图2所示，电压采集隔离模块包含多个电压采集单元，用于分别处理所述主电路输出的各路电压，并能够根据实际电源控制路数进行扩展，该电压采集单元的输入端和主电路互连,将主电路反馈的电压信号转换成相应的数字信号，并将数字信号传输至第一扩展槽。第一扩展槽主要用于电压采集单元的扩展，能够实现电压采集单元与FPGA控制模块的物理连接。

FPGA控制模块，根据接收到的电压数字信号对所述电源控制系统进行采集和监测，并经所述第二扩展槽输出控制信号至所述驱动隔离模块；

在本实施中，FPGA控制模块包括系统监控模块和多个电源控制器模块，所述系统监控模块用于对所述电源控制系统进行状态监测、加电控制和通讯，并能够根据实际需要处理电源控制路数进行扩展；所述电源控制器模块根据所述电压采集单元输出的数字信号，进行过电压或欠电压保护控制和比例积分微分(PID)运算并输出相应的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，该PWM信号可以为多种形式的脉冲信号，例如定频调宽、定宽调频、变宽调频、移相等，用于驱动电源主电路。FPGA控制模块的输出端和第二扩展槽连接，将输出的PWM信号通过第二扩展槽传输至驱动隔离模块。第二扩展槽主要用于驱动隔离单元的扩展，实现驱动隔离单元与FPGA控制模块的物理连接。

驱动隔离模块，用于隔离和放大所述控制信号并输出至所述主电路，以驱动所述主电路的电子开关。

在一个具体的示例中，如图3所示，主电路有四路输出，分别为12V、-12V、5V和3.3V。电压采集隔离模块中根据需要选取四路电压采集隔离单元，每个电压采集隔离单元采用成熟的V/P转换模块将电压转换成频率固定脉宽随电压大小变化的数字脉冲信号，数字脉冲信号经过高速光耦芯片SI8420隔离后传输至FPAG进行处理。

第一扩展槽和第二扩展槽使用标准间距为2.54mm的插座。

FPGA控制模块采用ALTERA公司的EP2C35F484C7作为主控芯片，其外围电路包括3.3V和1.8V电源、时钟、复位以及JTAG下载等，采用基于NIOS的嵌入式软核设计系统监控程序，采用verilog HDL语言进行电源控制器程序的编写。在本示例中，四路电压输入信号12V、-12V、5V和3.3V首先经过P/D变换，将脉冲信号的脉宽大小信息通过计数器转换成和四路电压信号对应的数字量。将采集到的输入电压数字量和预设的电压进行保护处理：当发生过压故障时，切断PWM输出；当发生欠压故障时，不切断PWM输出，同时将故障信息上报。然后数据经过PID计算后，得出控制量。本示例采用全桥PWM调宽控制方式，根据PID计算得到的控制量来调节全桥PWM脉冲信号的脉冲宽度，从而控制主电路的输出电压。

驱动隔离模块根据需要选取四路驱动隔离单元，每个驱动隔离单元采用高速光耦芯片SI8420对PWM信号进行光电处理，并隔离FPGA控制模块和主电路，然后通过驱动变压器PA2004NL对PWM信号进行放大输出，将PWM信号变成适合全桥脉宽控制主电路的驱动信号，本示例采用频率为200KHz的PWM信号。

本发明的另一个实施例提供了一种基于FPGA的可扩展数字电源控制方法，如图4所示，应用于上述系统中，包括：

S101：将所述主电路反馈的至少一路电压信号通过电压采集隔离模块转换成数字信号后传输至第一扩展槽；其中电压采集隔离模块的数量是可扩展的。

更进一步地，如图5所示，所述步骤S101具体包括：

S111：将所述主电路反馈的至少一路电压分别传输至所述电压采集隔离模块的V/P转换模块；

S113：通过所述V/P转换模块将电压信号转换成数字信号；其中V/P转换模块将电压转换为频率固定脉宽随电压大小变化的数字脉冲信号。

S115：所述数字信号经光电耦合器隔离后输出至所述第一扩展槽。

S103：所述第一扩展槽将所述数字信号传输至所述FPGA控制模块；

S105：所述FPGA控制模块读取所述数字信号并进行电压保护控制和PID运算，输出对应的PWM信号至第二扩展槽；

更进一步地，如图6所示，所述步骤S105具体包括：

S151：所述FPGA控制模块的电源控制器读取所述数字信号并进行P/D转换；

S153：所述电源控制器对所述转换信号进行比对并对所述电源控制系统进行电压保护控制；

S155：所述电源控制器进行PID计算；

S157：所述电源控制器根据所述PID计算结果输出PWM信号。

S107：所述第二扩展槽将所述PWM信号传输至驱动隔离模块；

S109：所述驱动隔离模块对所述PWM信号进行隔离、驱动放大并输出至所述主电路。

综上所述，本发明提供的实施例通过模块单元化设计，将电源控制的电压采集功能和PWM驱动隔离功能设计为可扩展方式，实现了开关电源的多路控制并能够根据实际需要进行扩展，减小了电源产品体积，降低了电源产品的成本。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。