文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
基于FPGA的数字控制DC-DC变换器的研究与设计
姓名:张浩
申请学位级别:硕士
专业:软件工程
指导教师:邹雪城
20090525
华中科技大学硕士学位论文
摘要
数字电源管理与传统的模拟电源相比具有灵活变换、精确控制、实时监控、稳定
可靠的特点,在近几年得到高速发展,尤其在高端领域是模拟电源不能替代的应用。
随着越来越多的国际设计公司开始涉足数字电源,数字电源正成为电源领域的研究热
点。
本文的主要内容是研究和设计一个基于 FPGA 采用电压反馈 PWM 控制模式的数
字控制 BUCK 型 DC-DC 变换器,包括功率级设计,ADC 参数分析,积分分离数字
PID 控制器的设计和 DPWM 发生器的设计。
功率级的分析和设计是根据设计指标确定功率级的滤波器参数,通过状态空间平
均模型建立系统的小信号模型,推导小信号传递函数,并以功率级设计为基础确定
ADC 的分辨率和采样率;积分分离数字 PID 控制器是通过先设计连续域的 PID 控制
器,通过零极点匹配方法转换成离散域积分分离 PID 控制器并用查表的方式在 FPGA
上实现。DPWM 发生器的设计是根据系统精度要求,确定分辨率要求,采用基于延
迟-计数混合的方式设计并通过 FPGA 验证。
所设计的 BUCK 型数字控制 DC-DC 变换器系统的验证是先通过 Simulink 建立系
统模型验证控制器的环路补偿特性和系统的稳定,然后将 FPGA 与 BUCK电路相结合,
进行测试。测试结果为电源系统的输出电压稳定,纹波系数为 %,在负载电流从 1
A 突变到的情况下输出电压的恢复时间约为 100 μs,总体性能达到预期设计目
标。本文的分析方法和设计流程可以为 ASIC 芯片的设计提供指导。

关键词:数字电源积分分离数字 PID 控制器 DPWM发生器
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Compared to the traditional analog power management, the digital power has
advantage of flexible form, accurate control real-time supervising and better stability. In the
past few years, digital power sustained rapid development and played an irreplaceable role
in senior power management application. As more and more international power design
companies show great interest in digital power management, it is occupying the focus of
power design.
The main content of this paper is the study and design of BUCK DC-DC converter
using the voltage feedback control based on a FPGA development board. It includes the
designing of power stage, the analysis requirement details of the ADC, the designing of the
integral separation digital pensator and the designing of the DPWM generator.
According the analysis of power stage purpose, design an adaptive L and C. Using the
State space averaging method, derive the small signal model of power stage and transfer
function. On the basis of that, select the adaptive sample rate and resolution ratio of the
discrete device of ADC. The first step of the designing