利用FPGA资源和最小模拟电路发电进行开关电源设计的方法

本文将引导您采用极简/简单的方法进行开关电源设计，并介绍几种利用 FPGA 资源和最小模拟电路发电的方法。

 

 

图 1参考电压图

使用 FPGA 设计电源是多余的，除非您将其用于教育目的。但是，如果您还剩下 FPGA 的一部分来执行一些有用的功能，那么它实际上是免费的，您可以毫无顾忌地使用最昂贵的 FPGA 来完成这项任务。首先，我们将介绍一种使用开关模式电源发电的简单方法。

 

 

图 2有源滤波

开关电源有不同的拓扑结构，它们都有一个共同的元件，即用作临时能量存储的功率电感器，在负载和电源之间切换，因此得名。 在电感器中存储能量并传输到输出的过程是复杂的，甚至可能是神秘的，但行为是明确定义的。 神秘的部分是能量通过充电电流存储在电感器的磁场中，当电流中断时，磁场会崩溃，同时试图保持充电电流的方向和流动。 虽然我们看不到神秘的磁场充电/放电周期，但我们知道电感器电流作为时间的函数线性增加，由锯齿波描述。

该波形的 RMS 电流使用以下公式计算：

使用以下公式计算电压：

这是电感器电流，在上面的 RMS 电流公式中引用：

这三个方程将成为我们开关电源设计的基础。 为了磨练我们的开关电源设计技能，我们将设计三种电源：一种产生 +5V(图 3)，一种产生 +35V(图 4)，第三种产生 ?15V(图 5)，均来自 +15V输入电压。

请注意，对于所有三个电源，我们使用同一 FPGA 模块 (pcontrol) 的实例，该模块具有一个由比较器驱动的反馈输入和一个驱动开关晶体管的输出。 该模块还具有启用输入以将其打开/关闭。 我们来分析一下图3所示的电路，也就是俗称的降压转换器开关电源拓扑。

 

 

图 3 降压转换器开关电源拓扑

最初 Q1A 和 Q1B 关闭，C1 上的电压为零，由于 2.5V 电压施加到 VREF_2V5 输入，这迫使 U1A 输出 (P5_FBK) 逻辑高电平，表明我们的 VP5 电源输出低于 5V。输出电压通过 R7、R8 分压器设置为 5V，可以是 2.5V 以上的任何值。

作为响应，FPGA 电源控制模块 (PCM) 将脉冲 P5_CNTL 引脚持续 TON 持续时间为高电平。该电压将打开 Q1A，随后 Q1B 将使用 VP15 (15V) 输入电压为 L1 电感器充电。在 T(on) 持续时间后，Q1A 和 Q1B 闭合，切断 L1 充电电流。此时，L1 已将先前的电流存储在磁场中，并试图通过拉电流来保持电流的流动方向和幅度。该电流流经 D1 并开始为 C1 充电并为负载供电(图中未显示)。L1完全放电后，D1闭合，电路为下一个周期做好准备。多个周期后，VP5 电压攀升至 5V 电平，触发 U1A 引脚 1 至低电平，有效地禁用 P5_CNTL 脉冲序列。一旦 VP5 电压降至 5V 以下，P5_CNTL 脉冲序列将再次启动，使其成为一个闭环系统，可以主动监控输出电压。请注意，此描述保持基本状态以传达此电路的工作原理。

这种用于开关电源设计的方法有一个优点：能够设置最大输出电流并通过指定 TON 实现数字输出电流限制，使 Q1B 在安全区运行，即使输出接地短路也是如此。这是使用上面列出的第三个公式并选择晶体管的最大电流 (IpK) 作为计算基础来完成的。请参见下表 ，了解此计算示例和图 4 电路，这是一个反向降压开关电源拓扑。

 

 

图 4 反向降压开关电源拓扑

遗憾的是，在升压转换器(图 5)中，我们无法控制最大输出电流，因为它受到流经 L1 和 D1 的正向电流的限制。

 

 

图 5升压转换器拓扑

PCM 将使用循环十六进制列中指示的计算值作为最大 TON 设置。

输出可用功率由 P = Vrmc * Irmc 公式计算得出，该公式描述了输出上的可用直流功率，并根据 70% 的估计效率进行了调整。这些计算如下表 所示。

调整此表中的值时，尽量将开关频率保持在 500 kHz 以下，并将占空比保持在 80% (0.8) 以下，以将损耗保持在较低水平。

这里有一些关于图 3-5 电路元件选择的注意事项。选择饱和电流至少是所选 IpK 两倍的电感器 L1 很重要。建议二极管 D1 使用肖特基二极管，以最大限度地减少由于正向压降造成的效率损失。在大电流开关中，它被一个次级 MOSFET 取代，该次级 MOSFET 在二极管导通后立即导通并与其并联。为该电路选择的晶体管不是最佳的，但可以很好地工作，提供小尺寸。在大电流开关电源设计中，通常在输出级使用 MOSFET。

C1 的值不如 L1 重要，但会决定输出纹波电压。请注意，应选择低 ESR(低于 200 毫欧)。还要尽量使其保持合理的大，因为已知开关电源在输出端具有 50 至 100 mV 的纹波。这种纹波不能仅通过增加 C1 值来降低。

很多时候，我们需要生成“干净”电压，以便为仪表放大器、ADC 和其他精密模拟电路等敏感模拟电路供电。为此，我们需要添加有源滤波以使用图 2-4 中描述的开关电源(图 2)。该电路从 +12V 电源提供 VP_OP 电压，从 ?12V 提供 VN_OP。这是低于电源的两个基极/发射极电压。

该电路看似简单，但乍一看却不是很明显。 请注意，组合 hfe Q1 (Q2) 高于 3000，这对 C1 电容器值具有倍增效应。 简而言之，VP_OP 的行为就像连接到 0.6F 电容器一样。 换句话说，它和电池电源一样干净。 该电路的缺点在于，由于 Vbe 的变化，VP_OP 会在很小的范围内随温度变化。 这对于为精密电子设备/运算放大器供电并不重要，但我们应该意识到这一点。 另一个“特性”是上电时启动缓慢，这由 RC 常数决定。

审核编辑：汤梓红