基于PID算法的高精度数字化电源设计

摘要：提出了一种基于PID算法的高精度数字化电源设计方案。采用DSP和FPGA技术来做数字化PID调节，通过数字化PID算法产生PWM波来控制斩波器，达到控制主回路。从而取代传统的模拟PID调节器，使电路更简单，精度更高，通用性更强。

引言

由于数字化器件的迅速发展，有效推动了数字化电源系统的发展，对于一个简单的、固定功能的应用，模拟电源能保持较大的成本竞争力。但是对于要求灵活性或者较复杂功能的电源，数字电源不仅具有低成本竞争力并且在许多情况下可能是唯一的选择。目前在国内，采用FPGA+DSP组合同时基于PID算法来设计数字化电源还是比较少见的，这也是本文把其作为主要研究对象的原因。

本文采用FPGA控制18位的高速高精度的AD转换器AD7678采集数字电源的电压，同时利用SPI通信协议与DSP进行数据传递，在后端DSP通过PID算法产生PWM波来控制斩波器，达到控制主回路。从而取代传统的模拟PID调节器。

系统结构设计

硬件的总体结构主要分为：外围电路部分、FPGA控制部分和DSP处理部分。

设计思路：DSP是整个系统的核心部分，完成PID算法的处理、PWM信号的给出、发同步信号给FPGA、以及程序的调度等等。由于整个系统是闭环控制系统，要求采样速率和精度相当高。本系统采用FPGA来控制ADC，这样就避免了高速采样占用DSP资源的问题，减轻了DSP的负担，DSP可以将读到的ADC信息做PID调节，从而产生PWM波来控制开关电路的开关速率，从而达到闭环控制的目的。

系统硬件平台

　　外围电路部分

　　针对不同的数字电源，信号调理电路是不一样的，本次设计是对小于5V的电压信号进行采集，如果高于5V要采用分压电路 [5] 。由于在电压信号中存在大量的高频信号(干扰)，首先要对电压进行滤波处理，经典的滤波电路就是用电阻、电感、电容组成。如果信号比较小，还要经过放大等。本次设计采用差分电路对输入信号进行调理，有利于ADC对输入信号的高精度采集，还可以对ADC起保护作用，也是本次设计的优点之一，具体电路如图2所示。