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一种高效率多模式数字Ac-DC变换器的设计与FPGA实现

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容和目标

1.4 论文组织结构

第二章 原边反馈AC-DC变换器设计原理

2.1 AC-DC变换器工作原理

2.1.1 副边反馈AC-DC变换器

2.1.2 原边反馈AC-DC变换器

2.2 AC-DC变换器的调制模式

2.2.1 脉冲宽度调制(PWM)模式

2.2.2 脉冲频率调制(PFM)模式

2.2.3 跨周期调制(PSM)模式

2.3 AC-DC变换器系统补偿

2.3.1 数字PI补偿

2.3.2 PI系数分析

2.3.3 基于Simplis的系统仿真

2.4 AC-DC变换器功耗分析

2.5 本章小结

第三章 数字AC-DC变换器DPWM与DPFM电路设计

3.1 数字控制AC-DC变换器闭环系统

3.2 DPWM模块的设计

3.2.1 传统DPWM结构

3.2.2 改进型DPWM结构

3.3 DPFM模块的设计

3.3.1 传统DPFM结构

3.3.2 改进型DPFM结构

3.4 DPWM与DPFM位数的选取

3.5 本章小结

第四章 数字AC-DC变换器DPWM/DPFM切换电路设计

4.1 DPWM/DPFM切换点的选取

4.1.1 DPWM调制模式下的数字AC-DC变换器的效率分析

4.1.2 DPFM调制模式下的数字AC-DC变换器的效率分析

4.1.3 DPWM/DPFM切换点的选取

4.2 DPWM/DPFM模式切换方式

4.2.1 传统切换方式

4.2.2 改进型切换方式

4.3 DPWM/DPFM模式切换电路设计

4.4 本章小结

第五章 数字AC-DC变换器FPGA验证

5.1 FPGA验证

5.1.1 测试环境概述

5.1.2 静态稳压测试

5.1.3 负载跳变动态测试

5.1.4 电压调整率测试

5.1.5 系统转换效率测试

5.2 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

伴随着全球能源危机与环境污染的加剧,节能环保的呼声日益高涨,小型化、低成本、高效率的绿色电源成为当下电源设备的发展趋势。DPWM/DPFM切换控制技术能够显著提高AC-DC变换器的轻载效率,是降低功耗、延长电池使用寿命的有效途径。因此研究设计DPWM/DPFM模式切换的AC-DC变换器具有重要的学术价值和广泛的应用前景。
  本文首先介绍了AC-DC变换器的基本工作原理,并对变换器的主要损耗源进行了详细的分析,建立损耗模型作为提高全载效率的理论依据。本文采用DPWM/DPFM多模式控制以提高转换效率。其中DPWM模式采用计数延迟结构,其功耗较低、占用芯片面积较小,基于此结构引入可控延时单元进行优化,可降低温度和工艺的影响,提高精度和性能。DPFM模式则采用预置值计数器结构,其结构简单,功耗较低,无特定的时钟要求。DPWM/DPFM模式切换点的选取直接影响全载效率,本文根据损耗模型利用Matlab绘制DPWM和DPFM模式下的全载效率曲线,选取两条效率曲线的交点作为切换点。本文所设计的变换器系统重载时工作于DPWM模式,轻载时自动切换至DPFM模式,实现全载效率的最优化。
  本文利用QuartusⅡ软件对数字控制电路进行设计与功能仿真。最后基于FPGA核心板搭建测试系统,测试结果表明输入电压90~264V时系统稳定工作,输出电压为5V,空载损耗低于100mW,全载效率始终保持在77%以上。

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