一种考虑漏电流最低损耗的控制器电子模块设计与实现

褚新建++宋东亚

摘 要： 漏电流损耗占电路能耗的大部分，属于实时变化的动态过程，传统控制器采用堆栈方法，通过对输入信号的控制实现对漏电流损耗的控制，无法适应漏电流的动态变化，不能实现最低损耗控制。为此，设计一种考虑漏电流最低损耗的控制器电子模块，通过模拟电路与CPLD相结合的方法对漏电流最低损耗控制器电子模块进行设计，给出设计的总体结构。通过霍尔传感器对漏电流进行检测，利用比较器将检测的实际漏电流与参考漏电流进行比较，用CPLD形成对应的斩波驱动信号，发送至电压控制器，通过电压控制器对主开关器件的导通和断开进行控制，实现漏电流最低损耗的控制。软件设计中，设计一个调试软件，给出电流最低损耗控制程序和交替斩波程序。实验结果表明，所设计控制器电子模块的漏电流损耗很低，且运行效率高。

关键词： 漏电流； 最低损耗； 控制器； 电子模块

中图分类号： TN722.7+3?34； TP303 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0138?0

0 引 言

随着电子技术的逐渐发展，相关产业已步入深亚微米和纳米工艺时代。漏电流损耗已经成为电子技术研究过程中所需考虑的一个关键指标[1?2]。电子技术领域中产生漏电流的机制越来越复杂，漏电流损耗对功耗产生的影响也越来越大。因此，对漏电流最低损耗进行控制具有重要意义，是亟需解决的关键问题，已经成为相关学者研究的重点课题，受到越来越广泛的关注[3?4]。

目前，有关漏电流最低损耗控制器的研究有很多，相关研究也取得了一定的成果。其中，文献[5]提出一种基于模型的漏电流最低损耗控制方法，该方法依据漏电流偏差约束条件与电压预测法对漏电流进行最低损耗控制，可完成对命令信号的有效跟踪，但该方法对参数的改变过于敏感，在一定程度上降低了预测控制的动态性能。文献[6]提出一种基于堆栈的漏电流最低损耗控制器，该控制器将若干晶体管连接在一起，若一个或一个以上晶体管处于关闭状态，则产生的漏电流将较单个晶体管明显降低，依据堆栈原理，将时钟门控信号看作是休眠模式的控制信号。如果电路处于待机状态，则电路将形成既定输入向量，使得尽可能多的晶体管处于堆栈状态，从而将漏电流控制在最低损耗内，但该方法实现过程复杂，不适用于实际应用。文献[7]设计了一种基于可变阈值的漏电流最低损耗控制器，即通过改变衬底偏置电压对漏电流进行控制。在电路处于休眠状态的情况下，在衬底添加一个负偏置电压以提高阈值电压，从而切断漏电流。在电路处于运行状态的情况下，在衬底添加一个相对较低的正偏置电压，从而提高电路效率，然而该方法所需时间过长、效率极低。文献[8]设计了一种基于多阈值的漏电流最低损耗控制器，该控制器引入一个高阈值NMOS管，将输入信号看作是其控制信号。为了降低NMOS管对电路性能产生的影响，将其导通电阻就取最小值。随着NMOS管导通电阻的逐渐增加，其宽度逐渐减小，漏电流损耗逐渐降低，但随着NMOS管宽度的减小，其性能也逐渐降低。

针对上述方法的弊端，设计了一种考虑漏电流最低损耗的控制器电子模块，通过模拟电路与CPLD相结合的方法对漏电流最低损耗控制器电子模块进行设计，给出设计的总体结构，详细分析了各硬件结构。软件设计中，设计了一个调试软件，给出电流最低损耗控制程序和交替斩波程序。实验结果表明，所设计控制器电子模块的漏电流损耗很低，且运行效率高。

1 一种考虑漏电流最低损耗的控制器电子模块

设计与实现

1.1 考虑漏电流最低损耗的控制器电子模块总体设计

通过模拟电路与CPLD相结合的方法对漏电流最低损耗控制器电子模块进行设计，该方法不仅响应速度快、跟踪能力强、实时性高，而且不易受环境因素的干扰、控制更加可靠。控制器电子模块总体设计如图1所示。

由图1可知，通过霍尔传感器对漏电流进行检测，利用比较器将检测的实际漏电流与参考漏电流进行比较，如果实际漏电流未超过参考漏电流，则输出低电平信号；否则，将比较器的输出信号传输给CPLD；将漏电流最低损耗控制程序代码从PC机下载至CPLD芯片中，CPLD形成对应的斩波驱动信号，发送至电压控制器；通过电压控制器对主开关器件的导通和断开进行控制，以实现漏电流最低损耗的控制。

1.2 漏电流检测电路

在考虑漏电流最低损耗的控制器中，首先需对漏电流进行检测，图2为漏电流检测的部分电路。

选用型号是LT108?S7的磁场平衡式霍尔电流传感器对漏电流进行检测，其不仅检测精度高，而且响应速度快，抗干扰性能强，能够实现电隔离检测。所设计控制器电子模块仅需一只传感器即可，LT108?57转换率是l∶2 000，也就是被测漏电流是输出电流的2 000倍，通过输出电流即可间接获取被测漏电流。图2中R2，R7，R9分别为A相、B相、C相电流的采样电阻，将输出电流在采样电阻上的压降看作是相电流的反馈信号，经滤波、TL032运放与限幅稳压处理后通过I?FBA，I?FBB，

I?FBC引脚输出。

1.3 LM393双电压比较器

比较器将检测到的实际漏电流与参考漏电流进行比较，如果实际漏电流未超过参考漏电流，则比较器会输出低电平信号；否则，比较器将输出信号发送至CPLD。比较器选择LM393H双电压比较器，其电路图如图3所示。

LM393H工作电源电压范围较广，所消耗能耗较低，其输出能够和TTL，MOS，CMOS等兼容。通过漏电流检测到的漏电流信号，I?FBA/I?FBB/I?FBC。通过采样电阻加在LM393H的同相输入端，参考漏电流经RP1采样变成电压信号，通过反相输入端进入LM393H。RP1是变阻器，其端电压在0～2.75 V范围内可调，以改变参考电流。若I?FBA/I?FBB/I?FBC超过参考漏电流，则LM393H将输出高电平信号；反之，其输出的为低电平信号。