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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 Modulation Abstract – DPWM(Digital Pulse Width Modulation) is the key module to digitallycontrolled power converter. DPWM generates necessary switch signal for powercomponents with properties of the ability of integration, high switch signal frequency and stable performance. During past years, based on traditional DPWMstructures, researchers have proposed novel and better structures, which increasesresolution and switch frequency of DPWM. This paper outlines the development of DPWM:firstly, the principles and implementations of traditional DPWM are analyzed andsome design objectives are concluded。 then several novel implementations based onFPGA(Field Programmable Gate Array) are described。 lastly, further details ofperformance and 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