一种基于FPGA的耐辐照同步整流电源电平转换系统的制作方法

本技术涉及基于fpga的电源电平转换，具体为一种基于fpga的耐辐照同步整流电源电平转换系统。

背景技术：

1、在核能工业的产业发展和应用过程中，核燃料的生产作业过程存在高放射性核辐射。这些辐射环境中存在伽马射线和中子辐射等高能射线和粒子，它们对电子电路和集成电路的正常工作造成严重威胁。在传统dc-dc电源转换器的实现方案中，一般采用斩波的方式来实现转换。按照一定的调制方式，不断地导通和关断高速开关，通过控制开关通断的占空比，可以实现电源电平的转换。而普通的斩波电路往往在辐射区域中容易产生失效，导致芯片无法正常工作。

2、辐射环境中的高能射线和粒子会引起斩波电路中模拟器件的电离效应和辐射损伤。这些损伤会导致器件的性能退化，甚至失效。例如，辐射会导致斩波电路中的金属氧化物半导体场效应管的阈值电压发生变化，影响其开关特性和导通电阻。器件性能的退化可能导致斩波电路输出波形的畸变。此外，辐射环境中的高能射线和粒子可能引起斩波电路的故障，如闩锁效应和击穿现象。闩锁效应会导致斩波电路无法恢复到正常工作状态，而击穿现象则可能导致斩波电路的短路或断路。这些故障可能使整个dc-dc电源转换器失去供电或无法正常工作。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于fpga的耐辐照同步整流电源电平转换系统，可以根据反馈信号完成实时计算和输出高精度的数字pwm信号，相对于现有的dc-dc电源转换器的控制单元，能更加精确，快速地实现电压的调节，进而得到更好的系统瞬态响应。

2、本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于fpga的耐辐照同步整流电源电平转换系统，包括：包括：耐辐照fpga控制单元，buck型dc-dc电路和ldo电路，

3、ldo电路外接电源电压将电源电压降压转换后得到供电电压vcc，供电电压vcc为耐辐照fpga控制单元供电；

4、耐辐照fpga控制单元在每个sic开关周期采集一次buck型dc-dc电路的输出电流i0和输出电压vout，耐辐照fpga控制单元将采集的输出电流i0处理后与参考电压vref的值进行对比和调整得到ocp信号，参考电压vref根据供电电压vcc和耐辐照fpga控制单元内部的温度传感器的数值进行调节，将采集的输出电压vout处理后与参考电压vref进行比较实现电压上下调的选择后得到电压调整信号，根据过流保护后输出的ocp信号和电压上下调的选择后的输出的电压调整信号进行判断和计算分析生成控制信号，根据控制信号生成pwm占空比，基于pwm占空比控制死区时间的产生，通过控制死区时间保护buck型dc-dc电路的碳化硅器件不受损坏从而确保基于fpga的耐辐照同步整流电源电平转换系统的稳定运行。

5、本基于fpga的耐辐照同步整流电源电平转换系统采用反熔丝工艺的耐辐照fpga作为dc-dc电源转换器的控制单元，反熔丝工艺的耐辐照fpga的耐辐照能力强，避免了现有的dc-dc电源转换器的控制单元在辐射环境下导致的临时或永久故障，提高了控制单元在辐射环境中的可靠性，可以根据反馈信号完成实时计算和输出高精度的数字pwm信号，相对于现有的dc-dc电源转换器的控制单元，能更加精确，快速地实现电压的调节，进而得到更好的系统瞬态响应。

6、作为优选，buck型dc-dc电路包括sic功率管qh、sic功率管ql、电感l、电阻r0、电阻r1和电容c0，sic功率管qh的漏极接电源正极和ldo电路，sic功率管qh的源极连接电感l第一端和sic功率管ql的漏极，sic功率管ql的源极连接电阻r0第一端，电阻r0第二端接地，电感l第二端连接电容c0第一端和电阻r1第一端并输出vout，电容c0第二端和电阻r1第二端接地。

7、作为优选，ldo电路包括电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、三极管q1、三极管q2、sic功率管q3、电容c1和耐辐照误差比较器u1，电阻r3第一端和sic功率管q3的漏极连接电源正极，电阻r3第二端连接三极管q2的集电极，三极管q2的基极连接电阻r2第一端和三极管q1的集电极，电阻r2第二端外接ctr口，三极管q1的发射极、电阻r4第一端、电阻r6第一端和电容c1第一端接地，三极管q1的基极、三极管q2的发射极和电阻r4第二端连接耐辐照误差比较器u1的副输入端，耐辐照误差比较器u1的正输入端连接电阻r6第二端，sic功率管q3的源极连接电阻r5第一端并输出供电电压vcc，电阻r5第二端连接电阻r6第二端，电容c1第二端连接电阻r5第一端。

8、作为优选，耐辐照fpga控制单元包括第一adc采样模块和第二adc采样模块，第一adc采样模块连接电阻r0第一端，采集buck型dc-dc电路的输出电流i0，第二adc采样模块连接电阻r1第一端，采集buck型dc-dc电路的输出电压vout，第一adc采样模块将输出电流i0输入第一数据采集处理模块处理，将处理得到的输出电流采样电压输入过流保护模块进行过流保护，第二adc采样模块将采集的输出电压vout输入第二数据采集处理模块处理，将得到的输出电压采样电压输出至反馈处理模块实现电压上下调的选择，第一数据采集处理模块和第二数据采集处理模块数字滤波器对电压信号进行滤波处理去除噪声和高频成分。

9、作为优选，反馈处理模块包括第三比较器、上下调选通器、上下调模式选择模块、电压上调计算模块、电压下调计算模块以及输出选通器，第三比较器接收输出电压采样电压和参考电压vref进行比较，比较的结果用于在上下调选通器中输出上下调模式，上下调模式选择模块根据上下调选通器的选择对应的模式对电压进行上调或下调，控制输出选通器将up或down信号输出。

10、作为优选，过流保护模块将输出电流采样电压与参考电压vref进行比较，若检测到的电流超过了阈值，则输出ocp信号至中央控制模块，ocp信号作为中央控制模块调控pwm的频率的判断因子。

11、作为优选，中央控制模块的输入包括过流保护模块输出的ocp信号、反馈处理模块输出的up或down信号以及外部接口的控制命令，中央控制模块在每个sic开关周期根据ocp信号和up或down信号计算pwm补偿值并输出至pid参数补偿模块进行pwm调控，中央控制模块对外部接口的控制命令进行频率和时序更新得到参数d1，d2，并将参数d1，d2输出到频率与时序控制模块完成输出pwm参数设定。

12、作为优选，pid参数补偿模块将中央控制模块计算的结果转换成pwm寄存器参数，再与上一次sic开关周期调节的pwm频率参数进行累加，得到的结果输入频率和时序控制模块进行寄存。

13、作为优选，频率和时序控制模块将寄存的控制pwm生成的频率和时序分别输出至第一比较器、第二比较器、第一pwm生成模块以及第二pwm生成模块，第一pwm生成模块和第二pwm生成模块根据频率和时序控制模块中的pwm占空比参数生成固定基础的pwm占空比，第一比较器和第二比较器根据每一个周期pid参数补偿模块计算的占空比参数duty对pwm占空比进行调节，并将调节后的pwm占空比输出到sic死区控制器。

14、作为优选，sic死区控制器包括第一fpga延迟单元、第二fpga延迟单元、第三fpga延迟单元、第四fpga延迟单元和延迟参数控制模块，第一fpga延迟单元和第三fpga延迟单元分别接收来自第一pwm生成模块和第二pwm生成模块生成的pwm占空比进行延迟粗调，再分别输入至第三pwm生成模块和第四pwm生成模块生成的pwm占空比进行细调得到两个pwm占空比用于调控sic功率管qh和sic功率管ql，调节参数由延迟参数控制模块控制。

15、本技术的实质性效果是：

16、（1）本基于fpga的耐辐照同步整流电源电平转换系统采用反熔丝工艺的耐辐照fpga作为dc-dc电源转换器的控制单元，反熔丝工艺的耐辐照fpga的耐辐照能力强，避免了现有的dc-dc电源转换器的控制单元在辐射环境下导致的临时或永久故障，提高了控制单元在辐射环境中的可靠性，可以根据反馈信号完成实时计算和输出高精度的数字pwm信号，相对于现有的dc-dc电源转换器的控制单元，能更加精确，快速地实现电压的调节，进而得到更好的系统瞬态响应；

17、（2）本基于fpga的耐辐照同步整流电源电平转换系统采用耐辐照三极管，耐辐照误差比较器等分离器件搭建ldo的电路拥有好的耐辐照能力，同时可以输出稳定、精确的电压给耐辐照fpga，保证了耐辐照fpga内部参考电压的准确转换；

18、（3）本基于fpga的耐辐照同步整流电源电平转换系统在buck型dc-dc转换电路中实现了使用碳化硅功率管作为开关管完成电源转换，碳化硅功率管具有较强的抗辐射能力，同时也具有低导通电阻和高频开关速度，提高了系统的稳定性和响应速度，处理更高的功率密度转换。