数字脉冲宽度调制技术的发展.docx

数字脉冲宽度调制技术的发展摘要： 数字脉冲宽度调制（ DPWM， Digital Pulse Width Modulation ）是数字控制功率变换电路的核心 DPWM 能产生开关功率器件的所需的开关控制信号，且具有易集成、开关频率高、性能稳定等特点近年来，学者们在传统的 DPWM 基础上，提出新型的、性能更优的电路结构，致力于提高 DPWM 的分辨率和开关信号频率，从而改善 DPWM 以及整个电源芯片的性能本文概述了 DPWM 技术的发展关键字： 数字脉冲宽度调制；实现方案；设计目标Development of Digital Pulse Width ModulationAbstract – DPWM(Digital Pulse WidthModulation)is the key module todigitally controlledpower converter.DPWM generates necessary switch signal forpowercomponents withproperties of theability of integration,high switchsignal frequencyand stable performance.During past years, based on traditional DPWM structures, researchers have proposed novel andbetter structures, which increases resolution and switch frequency of DPWM. This paper outlinesthe development of DPWM: firstly, the principles and implementations of traditional DPWM areanalyzed and some design objectives are concluded; then several novel implementations basedon FPGA(Field Programmable Gate Array) are described; lastly, further details of performanceand some solutions are given.Keywords–DPWM, implementation, design objectives.1 引言电力电子技术是利用开关功率器件对电能进行高效变换的技术。

在电力电子技术的应用中，功率变换电路的作用是将输入的电能转换为负载工作所需的电能，而实际电路的工作需要外加的一定频率、占空比的开关控制信号功率变换电路的控制器可以提供这样的信号而随着电力电子技术的进步，控制器起着日益重要的作用考虑一个具有代表性的由数字控制器控制的稳压器（ VR, Voltage Regulator），图 1 给出了稳压器的系统框图 工作负载是一个数字处理芯片，如 FPGA、DSP（ Digital Signal Processor）等输入电能是通过交流-直流变换电路变换产生的直流信号或者来自电池的直接供电输入电能通过框图内的直流-直流变换电路进行处理，产生的输出电能满足芯片对输入电压、阻抗等特性的要求直流-直流变换电路通常由开关功率器件、电感和电容构成，常见的电路 如 Buck 电 路 和 Boost 电 路 位 于 框 图 下 方 的 数 字 控 制 器 由 模 拟 - 数 字 转 换 器（ ADC,Analog-to-Digital Converter ）、数字调制器 （ Digital Modulator ）等部分组成 其中， ADC采样模拟的输出电能信号，利用数字控制器内的嵌入式微控制器或者 DSP 进行运算，再通过数字调制器产生功率器件的开关控制信号。

图 1. 由数字控制器控制的稳压器系统框图数字控制器在电力电力技术的应用中至关重要 以上面的系统为例 一方面， 控制器为功率变换电路提供必需的开关控制信号， 使电路内的开关功率器件正常工作 脉冲宽度调制是指控制器保持开关信号的频率不变，通过调节占空比来控制变换电路的工作状态 PWM是最常用的控制信号调制技术 另一方面， 控制器运用控制理论对变换电路的输出信号进行调整 如框图所示， 控制器和变换电路构成闭环系统 调整的作用在于满足芯片对工作电压的稳定度、电流、等效阻抗等性能的要求随着半导体技术的进步， 集成电路集成度提高， 带来芯片性能的改变 与电源相关的主要是： 芯片供电电压下降， 内部的总寄生电容提高 这样的发展趋势对功率变换电路的性能带来了挑战 更小的供电电压意味着更小的电压误差容限， 即更好的电压稳定度 高度集成化要求整个功率变换系统尽量集成在电路母板上， 即减小电容电感的元器件尺寸 根据电路的设计原则，只要提高开关控制信号的频率 fsw，就可以减小功率变换电路中电感、电容的尺寸由于传统的模拟控制系统控制精度差、频率相应差，已经无法满足实际应用的需求，类似于上文中数字控制稳压器内的数字控制模式使用的很普遍。

其中，数字脉冲宽度调制是近年来研究的热点DPWM 之所以能流行，因为它具有如下优势：1. 易集成模块数字化，常用的模块包括计数器、比较器、反相器，以及目前流行的FPGGA 内已有的功能模块数字集成电路可以和其他芯片电路集成在一起，减小系统的总面积2. 设计自动化常用的数字电路模块可以利用硬件描述语言（ HDL， Harddware Description Langguage）进行编写，写入 FPGA 或 ASIC 等广泛使用的数字处理芯片中而 DSP 芯片的编程困难， 且通常不易与其他数字模块进行集成， 所以并不是 DPWM 的主流实现平台3. 工艺无关性数字电路较模拟电路的最大优势在于功能的稳定性工艺导致的器件尺寸偏差不会对数字电路的功能造成影响 而模拟电路不仅受到工艺偏差的影响， 同时对噪声也十分敏感本文作者通过阅读 DPW 领域的一些具有影响力和代表性的外文文献， 对 DPWM 的发展历史进行概述：首先，分析传统 DPWWM 的设计原理和实现方案，并总结 DPWM 的设计目标；在此基础上，描述一些基于FPGA的新型实现方案；最后，简述DPPWM更多的性能细节以及部分改善方法。

2.DPWM 的传统实现方案于DPWM 的实现方案多种多样，但其实现原理是一致的，这将在 2.1 中进行讨论而基2.1 的原理，两种最基本的实现方案分别在 2.2 和 2..3 中进行讨论和分析 基于 2.2 和2.3 中的基本方案， 2.4 给出了一种混合型结构的方案最后，进行了总结，为后文中一些新型的 DPWM 结构的提出作了铺垫2.5 对DPWM的设计目标2.1 实现原理图 1 中，数字控制器的 AD 部分采样模拟输出电压信号算，得到 n 位的占空比控制序列 d[n-1,0] 序列 d 是 DPW生具有相应脉冲宽度的脉冲控制信号Vout，通过数字处理芯片的运的输入信号，控制 DPWM产DPWM 概念结构框图如图 2 所示，振荡器（ OSC Oscillator）产生时钟脉冲 fs，即开关控制信号的频率时间量化器（ Time Quanntizer ）将一个周期的时间划分为若干个以 td 为宽度的时间片在一个周期刚开始时， DPWM 输出信号被 RS 锁存器置为高电平 d 序列作为数字比较器 （ Digital Comparatorr ）的选择阈值， 在若干个时间片中选择一个， 在这个时间片后， DPW 输出被置为低电平，从而产生了具有一定占空比的开关控制信号。

图 2. DPWWM 的概念结构框图2.2 计数器 -比较器实现方案利用计数器和比较器（ Counter-Compparator ）实现 DPWM 是最基本的实现方法后续的电路均是以该方案为基础进行改进和设计的图 3 给出了该方案实现的波形示意图计数器在基准频率为 fclk 的同步时钟的作用下进行循环计数当计数值小于占空比控制序列的值（阈值）时， DPWM 的输出信号为高电平；当计数值大于占空比控制序列的值时， DPWM 的输出信号为低电平由于占空比控制序列 d 的位宽为 n，具有 2n 个可能值，这反应了数字控制系统的量化分辨率分辨率越高，能产生的最小占空比越小根据图 3 可知，分率和频率满足关系式：其中， fclk 为同步时钟的频率， fsw 为开关控制信号的频率， n 为 DPWM 的分辨率，根据上面的分析， n 即为占空比控制序列的位宽图 3. 计数器 -定时器方案的波形示意图目前的功率转换电路需要提高开关信号的频率 fsww ，以减小电路中电感和电容体积，提高集成度；另外，分辨率也是 DPWM 性能的重要考量，如 4.1 讨论的极限环效应因此，提高分辨率和提高开关控制频率是 DPWM 的设计目标。

但是，根据方程式 (1)，这必然导致时钟频率的提高 产生更高的时钟频率需要额外的电路实现， 从而加大系统的的功耗和芯片的面积，这是我们不愿意看到的尽管利用计数器和比较器构成的 DPPWM 电路具有时钟频率的设计限制，它具备两个优点：一个是结构简单， 另一个是线性度好 DPWM 的线性度反映的是占空比控制序列 d 与开通脉冲宽度的线性程度如图 4 所示，以 d 为横坐标， 输出的占空比为纵坐标， 理想的DPW 产生的应是一条直线，即线性度理想而计数器 -比较器实现方案具有很好的线性度图 4. 理想 DPWM 的线性度示意图2.3 延迟线 -多路选择器实现方案为了提高 DPWM 的分辨率。