利用FPGA资源和最小模拟电路产生电源的几种方法

电源

本文绝不是所有电源设计的最终答案。电源设计的主题是如此广泛，以至于有关于这个主题的书籍。本文将介绍一种极简主义/简单的开关电源设计方法，并介绍了利用FPGA资源和最小模拟电路产生电源的几种方法。

图1电压参考图

使用FPGA来设计电源是过度的，除非您将其用于教育目的。但是如果你剩下一部分FPGA来执行一些有用的功能，它几乎是免费的，你可以使用最昂贵的FPGA来完成这项任务而不会有任何负罪感。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主动过滤

开关电源有不同的拓扑结构，它们共用一个共同元件，一个用作临时储能的功率电感，在负载和电源之间切换，因此得名。将能量存储在电感器中并转移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，并且当该电流中断时，磁场在试图保持充电电流方向和流动时坍塌。虽然我们无法看到神秘的磁场充电/放电周期，但我们知道电感电流随着时间的变化线性增加，由锯齿波形描述。

该波形的RMS电流使用以下公式计算：

电压用以下公式计算：

这是针对电感电流，参见上面公式中的RMS电流：

这三个方程式将成为我们开关电源设计的基础。为了提高我们的开关电源设计技能，我们将设计三个电源：一个产生+ 5V（图3），一个产生+ 35V（图4），第三个产生-15V（图5），均来自+ 15V输入电压。

请注意，对于所有三个电源，我们使用相同FPGA模块（pcontrol）的实例，其具有由比较器驱动的一个反馈输入和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。让我们分析图3所示的电路，这通常称为降压转换器开关电源拓扑。
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图3降压转换器开关电源拓扑结构

最初Q1A和Q1B闭合，C1上的电压为零，由于施加到VREF_2V5输入的2.5V电压，U1A输出（P5_FBK）逻辑为高电平，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使用VP15（15V）输入电压对L1电感充电。在T（on）持续时间Q1A和Q1B闭合后，切断L1充电电流。此时，L1已将先前的电流存储在磁场中，并试图通过提供电流来保持电流流动方向和振幅。该电流流过D1并开始对C1充电并为负载供电（图中未显示）。L1完全放电后，D1关闭，电路准备好进行下一个周期。经过多次循环后，VP5电压上升至5V电平，触发U1A引脚1至低电平，有效禁用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，使其成为一个主动监控输出电压的闭环系统。注意，该描述保持基本以传达该电路的工作原理。

这种开关电源设计方法有一个优点：能够通过指定TON来设置最大输出电流并实现数字输出电流限制，即使Q1B工作在安全区域，即使输出短路接地。这是使用上面提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。请参阅表下面例如计算为这和图4电路中，其是倒置的降压型开关电源拓扑。

图4反向降压开关电源拓扑结构
不幸的是，在升压转换器（图5）中，我们无法控制最大输出电流，因为它受到通过L1和D1的正向电流的限制。
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图5升压转换器拓扑
循环十六进制列中指示的计算值将由PCM用作最大TON设置。

输出可用功率通过P = Vrmc * Irmc公式计算，该公式描述输出上的可用直流功率，通过估计效率70％进行调整。这些计算如下表所示。

在调整此表中的值时，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，以使损耗保持在低水平。

以下是有关图3-5电路中元件选择的一些注意事项。选择饱和电流至少是所选IpK的两倍的电感L1非常重要。建议将二极管D1用肖特基二极管，以最大限度地降低正向压降引起的效率损失。在高电流切换器中，它被替换为次级MOSFET，该次级MOSFET在二极管导通后不久接通并且与其并联连接。为这个电路选择的晶体管并不是最佳的，但会做得很好，占用空间小。在高电流开关电源设计中，通常在输出级使用MOSFET。

C1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）。另外，要知道开关电源在输出端具有50到100 mV的纹波，也要尽量保持相当大的容量。单独增加C1值不能减少这种纹波。

很多时候，我们需要产生“干净”的电压，以便为仪表放大器，ADC和其他精密模拟电路等敏感的模拟电路供电。为此，我们需要添加有源滤波以使用图2-4中所述的开关电源（图2）。该电路提供+ 12V电源的VP_OP电压和-12V的VN_OP电压。这些是低于电源的两个基极/发射极电压。

电路看似简单，但乍一看它的质量不是很明显。注意，组合的hfe Q1（Q2）高于3000并且具有C1电容值的乘法效果。简单地说，VP_OP就像连接到0.6F电容一样。换句话说，它就像电池电源一样干净。该电路的缺点在于，由于Vbe变化，VP_OP可随温度在小范围内变化。这对于精密电子/运算放大器的供电并不重要，但我们应该意识到这一点。另一个“特征”是上电时启动缓慢，由RC常数决定。