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。
(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站，参考链接：Generate power with an FPGA and minimal analog circuitry。)
文章来源：电子技术设计
免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！本文内容为原作者观点，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。
