有時(shí)我們會(huì)遇到需要為一些微型模擬電路供電的情況,，現(xiàn)成的電源IC對(duì)這類(lèi)任務(wù)來(lái)說(shuō)有點(diǎn)“殺雞用牛刀”的感覺(jué)，特別是當(dāng)所需電流只是毫安級(jí)時(shí),。這時(shí),，如果電路板上的FPGA還有一些多余的引腳和資源，不利用起來(lái)就是浪費(fèi),。再說(shuō),，誰(shuí)能經(jīng)得住自己動(dòng)手從零開(kāi)始設(shè)計(jì)電源的誘惑呢？

事先聲明，本文絕不是所有電源設(shè)計(jì)的終極方案,。有關(guān)電源設(shè)計(jì)的研究課題很廣泛,，這方面的書(shū)籍已經(jīng)有很多了。本文介紹了一種開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的極簡(jiǎn)方法,，并給出如何利用FPGA資源和最小的模擬電路來(lái)產(chǎn)生電源的幾種方法,。

圖1：電壓參考圖。

使用FPGA來(lái)設(shè)計(jì)電源是大材小用了,，除非將其用于教學(xué)目的,。但是如果FPGA還剩下一部分沒(méi)用著，可以執(zhí)行一些有用的功能,，而且它幾乎是免費(fèi)的,，那么你就盡管使用最昂貴的FPGA來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)而不會(huì)有任何負(fù)罪感。首先,，我們將介紹一種使用開(kāi)關(guān)電源供電的簡(jiǎn)單方法,。

圖2：有源濾波。

開(kāi)關(guān)電源有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，但它們都有一個(gè)共同的元件,，就是一個(gè)用作臨時(shí)儲(chǔ)能的功率電感，它在負(fù)載和電源之間開(kāi)關(guān),，因此而得名。將能量存儲(chǔ)在電感器中并傳遞到輸出的過(guò)程是很復(fù)雜的,，甚至有點(diǎn)神秘,，但這一過(guò)程已經(jīng)有明確定義。神秘之處在于能量通過(guò)充電電流存儲(chǔ)在電感的磁場(chǎng)中,，當(dāng)該電流中斷時(shí),，磁場(chǎng)在試圖保持充電電流方向和流動(dòng)時(shí)會(huì)崩潰。雖然無(wú)法看到神秘的磁場(chǎng)充電/放電周期,，但我們知道電感電流會(huì)隨著時(shí)間而線性增加,，這由其鋸齒波形可以看出。

該波形的RMS電流可以用以下公式計(jì)算：

電壓用以下公式計(jì)算：

對(duì)于電感電流,，參見(jiàn)上面公式中的RMS電流：

這三個(gè)公式是我們的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),。為了提高開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)技巧，我們將設(shè)計(jì)三個(gè)電源：一個(gè)產(chǎn)生+5V（如圖3）,，一個(gè)產(chǎn)生+35V（如圖4）,，第三個(gè)產(chǎn)生-15V（如圖5），它們都來(lái)自+15V輸入電壓,。

請(qǐng)注意,，對(duì)于所有這三個(gè)電源，我們使用相同的FPGA模塊（pcontrol），它帶有一個(gè)由比較器驅(qū)動(dòng)的反饋輸入,，以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管的輸出,。該模塊還具有將其打開(kāi)/關(guān)閉的使能輸入。讓我們分析一下圖3所示的電路,，這通常稱(chēng)為降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電源拓?fù)洹?/p>

圖3：降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

開(kāi)始時(shí)Q1A和Q1B閉合，C1上的電壓為零,，由于施加到VREF_2V5輸入的2.5V電壓,，U1A輸出（P5_FBK）邏輯被強(qiáng)制為高電平，這表明VP5電源輸出低于5V,。輸出電壓通過(guò)R7和R8分壓器設(shè)置為5V,，但可以是2.5V以上的任何值。

作為響應(yīng),，F(xiàn)PGA電源控制模塊（PCM）將通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)P5_CNTL引腳,，在TON持續(xù)時(shí)間為高電平。該電壓將首先打開(kāi)Q1A,，然后是Q1B,，利用VP15（15V）輸入電壓對(duì)L1電感器充電。在T（on）持續(xù)時(shí)間之后Q1A和Q1B關(guān)閉,，切斷L1的充電電流,。此時(shí)，L1已將先前的電流存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中,，并試圖通過(guò)提供電流來(lái)保持電流流動(dòng)方向和幅度,。該電流流過(guò)D1并開(kāi)始對(duì)C1充電，也為負(fù)載供電（圖中未顯示）,。L1完全放電后,，D1關(guān)閉，電路準(zhǔn)備好進(jìn)入下一個(gè)周期,。經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后,，VP5電壓上升至5V，觸發(fā)U1A引腳1至低電平,，從而有效禁止P5_CNTL脈沖序列,。一旦VP5電壓降至5V以下，P5_CNTL脈沖序列將再次啟動(dòng),，使其成為閉環(huán)系統(tǒng),，以主動(dòng)監(jiān)控輸出電壓。請(qǐng)注意,，以上的描述很基礎(chǔ),，以清楚傳達(dá)該電路的工作原理,。

這種開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)指定TON的方式讓Q1B工作在安全區(qū)域，即使輸出短路接地,，也能夠設(shè)置最大輸出電流并實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出限流,。這是使用上面列出的第三個(gè)公式并選擇晶體管的最大電流（IpK）作為計(jì)算基礎(chǔ)來(lái)完成的。請(qǐng)參見(jiàn)表2了解計(jì)算方法,，圖4電路是一種反向降壓開(kāi)關(guān)電源拓?fù)洹?/p>

圖4：反向降壓開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

然而，在升壓轉(zhuǎn)換器（圖5）中,，我們無(wú)法控制最大輸出電流,，因?yàn)樗艿酵ㄟ^(guò)L1和D1的正向電流的限制。

圖5：升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

十六進(jìn)制周期列中顯示的計(jì)算值將由PCM用作最大TON設(shè)置,。

表1：最大時(shí)間計(jì)算值,。

輸出可用功率通過(guò)P=VrmcxIrmc公式計(jì)算，該公式描述輸出的可用直流功率,，通過(guò)估計(jì)效率70％進(jìn)行調(diào)整,。計(jì)算如表2所示。

表2：功率與頻率計(jì)算,。

在調(diào)整表2中的值時(shí),，盡量將開(kāi)關(guān)頻率保持在500kHz以下，并將占空比保持在80％（0.8）以下,，以使損耗保持在低水平,。

下面是有關(guān)圖3~5電路中元件選擇的一些注意事項(xiàng)。首先,，所選電感L1的飽和電流至少是所選IpK的兩倍,，這很重要。二極管D1建議用肖特基二極管,，以最大限度地減小正向壓降引起的效率損失。在大電流開(kāi)關(guān)電源中用次級(jí)MOSFET來(lái)代替,，可在二極管導(dǎo)通后立即打開(kāi),，并與其并聯(lián)連接。為這個(gè)電路選擇的晶體管并不是最佳的,，但還OK,，因?yàn)檎加每臻g小。在大電流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,，通常在輸出級(jí)使用MOSFET,。

C1值不如L1重要，但會(huì)決定輸出紋波電壓,。請(qǐng)注意,，應(yīng)選擇低ESR（低于200mΩ）的電容,。另外，要盡量保持較大的容量,，要知道開(kāi)關(guān)電源在輸出端會(huì)有50~100mV的紋波,。單獨(dú)增加C1值不能減少這種紋波。

很多時(shí)候,，我們需要產(chǎn)生“干凈”的電壓,，以便為敏感的模擬電路供電，比如儀表放大器,、ADC和其它精密模擬電路等,。為此，我們需要添加有源濾波以使用圖2~4中所述的開(kāi)關(guān)電源（圖2）,。該電路從+12V電源提供VP_OP電壓,，從-12V提供VN_OP電壓。它們是低于電源的兩個(gè)基極/發(fā)射極電壓,。

這一電路看似簡(jiǎn)單,，乍一看它的優(yōu)點(diǎn)也不是很明顯。請(qǐng)注意,，組合的hfe Q1 (Q2)高于3000,，具有C1電容值倍增的效果。簡(jiǎn)單的說(shuō),，VP_OP就像連接到0.6F電容一樣,，它就像電池供電一樣干凈。該電路的缺點(diǎn)在于,，由于Vbe的變化,，VP_OP可能隨溫度在小范圍內(nèi)變化。這對(duì)于精密電子/運(yùn)算放大器的供電不是大問(wèn)題,，但我們應(yīng)該知道這一點(diǎn),。其另一個(gè)“特性”是上電時(shí)啟動(dòng)緩慢，這是由RC常數(shù)決定的,。