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DC-DC开关转换器中DPWM模块的电路优化设计及研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究情况

1.3 论文主要工作

1.4 论文结构安排

第二章 高精度DPWM的研究

2.1 数字DC-DC转换器主要模块

2.1.1 ADC

2.1.2 PID

2.1.3 DPWM

2.2 高精度DPWM的参数

2.2.1 开关频率和时钟频率

2.2.2 线性度和占空比范围

2.2.3 时间分辨率

2.3 基于计数器的混合型DPWM

2.3.1 基于DCM级联的混合DPWM

2.3.2 基于DCM并联的混合DPWM

2.3.3 基于进位链的DPWM

2.3.4 三种DPWM对比

2.4 本章小结

第三章 基于PLL与进位链的混合型DPWM

3.1 基于计数器的第一粗延时模块

3.2 基于PLL的第二粗延时模块

3.3 基于进位链的细延时模块

3.4 DPWM系统结构

3.4.1 DPWM的工作原理

3.4.2 占空比增量现象

3.4.3 参数m与开关频率的关系

3.5 本章小结

第四章 DPWM的仿真与优化

4.1 FPGA资源概述

4.1.1 逻辑阵列块

4.1.2 逻辑资源

4.1.3 LE工作模式

4.2 综合属性

4.3 静态时序分析

4.3.1 Tcl语句之时钟

4.3.2 Tcl语句之输入输出

4.4 进位链的综合风格

4.5 DPWM行为级仿真

4.6 DPWM关键路径优化

4.6.1 对称式Mux

4.6.2 全局信号及位置分配

4.6.3 优化结果

4.7 DPWM关键路径补偿

4.8 本章小结

第五章 DPWM的FPGA验证测试

5.1 抖动性能测量

5.1.1 抖动的主要分类

5.1.2 DPWM抖动性测量

5.2 占空比范围

5.3 占空比增量现象

5.4 线性度测量

5.5 时间分辨率

5.6 参数总结及对比

5.7 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读学位期间的学术活动及成果清单

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摘要

DC-DC开关转换器反馈环路以模拟技术为主,然而模拟脉冲宽度调制器(Analog Pulse Width Modulator,APWM)易受工艺、电压、温度的影响,因此其稳定性差。随着半导体工艺的发展,基于标准单元库或可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现的数字脉冲宽度调制器(Digital Pulse Width Modulator,DPWM)能够克服以上缺点且易获得高的时间分辨率,时间分辨率范围通常在纳秒级别甚至更低。然而,DPWM关键路径中的逻辑和互连延时叠加到输出信号的正脉宽上,使得占空比与理论值相比偏大,即存在占空比增量现象。特别当时间分辨率在100皮秒以下,该关键路径延时的影响更严重。
  针对以上提及的现象,本文提出一种基于计数器、锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)和进位链的混合DPWM结构,并在此结构中针对关键路径做诸如结构优化、互连优化、逻辑重分配等优化后,在时序约束文件里添加set_net_delay约束于DPWM的置位端,在FPGA芯片内部工具会基于曼哈顿距离精确补偿关键路径的延时,从而消除占空比增大的现象,提高了DPWM的精确性。除此之外,该DPWM可以实现更高的时间分辨率,经过优化补偿之后能获得更宽的占空比范围、更高的线性度。
  本文结构通过低成本的CycloneⅣ系列FPGA验证和实现,为11-bit,9.375MHz开关频率的DPWM。通过测量周期抖动、时间误差(Time internal error,TIE)抖动表明抖动性较小,且线性度拟合值R2为0.9949,因此DPWM的稳定性很高。除此之外,该DPWM时间分辨率和占空比范围分别为53ps和1.52%~97.81%,由于逻辑和互连延时的叠加使得占空比增大3.08%,本文通过优化和补偿后成功解决占空比增量问题。

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