用FPGA和最少的模拟电路设计电源

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偶尔我们需要为一些微型模拟电路供电，现成的电源IC对这些任务来说有点“杀鸡用牛刀”的感觉。当电源要求仅为毫安级时，尤其如此。如果你的板载FPGA正好还有一些备用引脚和资源，不将它们利用起来有点可惜。本文将介绍一种极简单的开关电源设计，并探讨利用FPGA资源和最小的模拟电路产生电源的几种方法。
有时我们会遇到需要为一些微型模拟电路供电的情况，现成的电源IC对这类任务来说有点“杀鸡用牛刀”的感觉，特别是当所需电流只是毫安级时。这时，如果电路板上的FPGA还有一些多余的引脚和资源，不利用起来就是浪费。再说，谁能经得住自己动手从零开始设计电源的诱惑呢？
事先声明，本文绝不是所有电源设计的终极方案。有关电源设计的研究课题很广泛，这方面的书籍已经有很多了。本文介绍了一种开关电源设计的极简方法，并给出如何利用FPGA资源和最小的模拟电路来产生电源的几种方法。

图1：电压参考图。
使用FPGA来设计电源是大材小用了，除非将其用于教学目的。但是如果FPGA还剩下一部分没用着，可以执行一些有用的功能，而且它几乎是免费的，那么你就尽管使用最昂贵的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电源供电的简单方法。

图2：有源滤波。
开关电源有不同的拓扑结构，但它们都有一个共同的元件，就是一个用作临时储能的功率电感，它在负载和电源之间开关，因此而得名。将能量存储在电感器中并传递到输出的过程是很复杂的，甚至有点神秘，但这一过程已经有明确定义。神秘之处在于能量通过充电电流存储在电感的磁场中，当该电流中断时，磁场在试图保持充电电流方向和流动时会崩溃。虽然无法看到神秘的磁场充电/放电周期，但我们知道电感电流会随着时间而线性增加，这由其锯齿波形可以看出。
该波形的RMS电流可以用以下公式计算：

电压用以下公式计算：

对于电感电流，参见上面公式中的RMS电流：

这三个公式是我们的开关电源设计的基础。为了提高开关电源设计技巧，我们将设计三个电源：一个产生+5V（如图3），一个产生+35V（如图4），第三个产生-15V（如图5），它们都来自+15V输入电压。
请注意，对于所有这三个电源，我们使用相同的FPGA模块（pcontrol），它带有一个由比较器驱动的反馈输入，以及用来驱动开关晶体管的输出。该模块还具有将其打开/关闭的使能输入。让我们分析一下图3所示的电路，这通常称为降压转换器开关电源拓扑。

图3：降压转换器开关电源拓扑结构。
开始时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）逻辑被强制为高电平，这表明VP5电源输出低于5V。输出电压通过R7和R8分压器设置为5V，但可以是2.5V以上的任何值。
作为响应，FPGA电源控制模块（PCM）将通过脉冲驱动P5_CNTL引脚，在TON持续时间为高电平。该电压将首先打开Q1A，然后是Q1B，利用VP15（15V）输入电压对L1电感器充电。在T（on）持续时间之后Q1A和Q1B关闭，切断L1的充电电流。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幅度。该电流流过D1并开始对C1充电，也为负载供电（图中未显示）。L1完全放电后，D1关闭，电路准备好进入下一个周期。经过多次循环后，VP5电压上升至5V，触发U1A引脚1至低电平，从而有效禁止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，使其成为闭环系统，以主动监控输出电压。请注意，以上的描述很基础，以清楚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：通过指定TON的方式让Q1B工作在安全区域，即使输出短路接地，也能够设置最大输出电流并实现数字输出限流。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。请参见表2了解计算方法，图4电路是一种反向降压开关电源拓扑。

图4：反向降压开关电源拓扑结构。
然而，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。

图5：升压转换器拓扑。
十六进制周期列中显示的计算值将由PCM用作最大TON设置。

表1：最大时间计算值。
输出可用功率通过P=VrmcxIrmc公式计算，该公式描述输出的可用直流功率，通过估计效率70％进行调整。计算如表2所示。

表2：功率与频率计算。
在调整表2中的值时，尽量将开关频率保持在500kHz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。
下面是有关图3~5电路中元件选择的一些注意事项。首先，所选电感L1的饱和电流至少是所选IpK的两倍，这很重要。二极管D1建议用肖特基二极管，以最大限度地减小正向压降引起的效率损失。在大电流开关电源中用次级MOSFET来代替，可在二极管导通后立即打开，并与其并联连接。为这个电路选择的晶体管并不是最佳的，但还OK，因为占用空间小。在大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200mΩ）的电容。另外，要尽量保持较大的容量，要知道开关电源在输出端会有50~100mV的纹波。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，以便为敏感的模拟电路供电，比如仪表放大器、ADC和其它精密模拟电路等。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）。该电路从+12V电源提供VP_OP电压，从-12V提供VN_OP电压。它们是低于电源的两个基极/发射极电压。
这一电路看似简单，乍一看它的优点也不是很明显。请注意，组合的hfe Q1 (Q2)高于3000，具有C1电容值倍增的效果。简单的说，VP_OP就像连接到0.6F电容一样，它就像电池供电一样干净。该电路的缺点在于，由于Vbe的变化，VP_OP可能随温度在小范围内变化。这对于精密电子/运算放大器的供电不是大问题，但我们应该知道这一点。其另一个“特性”是上电时启动缓慢，这是由RC常数决定的。
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