Digital switching power supply based on DSP and FPGA

The article begins with the development background. It is believed that the widely used switching power supplies are all based on traditional discrete components. Its characteristics are narrow frequency range, low power, few functions, many devices, high cost, low precision, and different products are \"tailored\" to different customer requirements. At the same time, there is almost no versatility and portability. With the rapid development of electronic technology today, this traditional analog switching power supply has been difficult to keep up with the pace of development. With the miniaturization and high speed of electronic devices such as DSP and ASIC, the control part of the switching power supply is developing in the direction of digitalization. Due to digitalization, the control part of the switching power supply is intelligent, the parts are common, and the long-distance monitoring of the power supply\'s operating state has become possible. At the same time, due to its intelligence and common parts, it can flexibly respond to the needs of different customers, which reduces the development cycle and cost. Relying on modern digital control and digital signal processing new technologies, digital switching power supplies have broad development space. In the field of digitalization today, the last bastion without digitalization is the power supply field. In recent years, the research momentum of digital power supplies has been increasing day by day, and more and more results have been achieved. Although the switching power supplies manufactured in China currently account for more than 80% of the world market, they are all traditional low-end analog power supplies. We have almost no share in the high-end market. The main content of this paper is to propose a new digital regulator scheme based on the traditional switching power supply analog regulator, that is, a digital PID regulator based on DSP and FPGA. The paper has made a relatively specific design of the system scheme and circuit, and achieved the expected results through testing. The test proves that the scheme can adapt to the pace of development of the industry, making the system circuit simpler, more accurate and more versatile. At the same time, the scheme can also be used in related fields. This paper first analyzes the current status of switching power supply development at home and abroad, and the significance of studying digital switching power supply. Then the overall design block diagram and implementation scheme of the digital switching power supply are proposed, and a more detailed comparison is made with the traditional switching power supply. The design scheme of this paper is to use DSP technology and FPGA technology to do digital PID regulation, and generate PWM waves through the digital PID algorithm to control the chopper and the main circuit. Thereby replacing the traditional analog PID regulator, making the circuit simpler, more accurate and more versatile. The traditional analog switching power supply is to make the current and voltage feedback signals PID regulated---consisting of discrete components, and using a dedicated pulse width modulation chip to realize PWM control. The current feedback signal comes from the current sampling of the main circuit, and the voltage feedback signal comes from the voltage sampling of the main circuit. Then the two signals are sent to the inverting input of the current regulator and the voltage regulator respectively to realize closed-loop control. At the same time, it is used to ensure the stability of the system and realize the over-current and over-voltage protection of the system, and the display of current and voltage values. The given signals of voltage and current are provided by the single-chip microcomputer or potentiometer. Again, the article carefully analyzes and designs each module from the theoretical and practical aspects, and gives a specific circuit diagram, and writes the software flow chart and the points that should be paid attention to in the design. The whole system consists of a DSP board and an ADC board. The DSP board completes PWM generation, PID operation, environmental switch quantity detection, environmental switch quantity generation and local control. The ADC board mainly completes the acquisition of feedforward voltage signals, load voltage signals, load current signals, and the first-order digital low-pass filtering of signals. Since the whole system is a closed-loop control system, the sampling rate is required to be quite high. This system uses FPGA to control ADC, which avoids the problem of high-speed sampling occupying system resources and reduces the burden on DSP. DSP can make PID adjustments to the read ADC signal to generate PWM waves to control the switching rate of the inverter bridge, thereby achieving the purpose of closed-loop control. Finally, a comparative test was conducted on the digital switching power supply and the analog switching power supply, and the expected conclusion was drawn. At the same time, some areas that need to be improved were also proposed, and it is believed that the scheme can be widely used in other related industries. The analog control circuit requires a lot of space because it uses many parts. The parameter values ​​of these parts will also change with the use time, temperature and other environmental conditions, and have a negative impact on the stability and responsiveness of the system. Digital power supply is just the opposite. At the same time, digital control can also allow hardware to be frequently reused, speed up time to market, and reduce development costs and risks. Under the current premise of small size, intelligence, commonality, high precision and good stability for products, digital switching power supply has a broad space for development. This system has basically met the design requirements. It can meet the design requirements of higher precision. However, for high-precision digital power supply, the system still has room for improvement, such as improving the main controller, improving the accuracy of the reference voltage, and improving the accuracy of the sampling device, which can improve the accuracy of the system. This system involves technical fields such as electronics, communications and measurement and control, and organically combines digital PID algorithm with power electronics technology, communication technology, etc. The design scheme of this system can not only be used in power supply controllers, but also in related fields.