本文將引導您采用極簡/簡單的方法進行開關電源設計，并介紹幾種利用 FPGA 資源和最小模擬電路發電的方法。

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圖 1參考電壓圖

使用 FPGA 設計電源是多余的，除非您將其用于教育目的。但是，如果您還剩下 FPGA 的一部分來執行一些有用的功能，那么它實際上是免費的，您可以毫無顧忌地使用最昂貴的 FPGA 來完成這項任務。首先，我們將介紹一種使用開關模式電源發電的簡單方法。

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圖 2有源濾波

開關電源有不同的拓撲結構，它們都有一個共同的元件，即用作臨時能量存儲的功率電感器，在負載和電源之間切換，因此得名。 在電感器中存儲能量并傳輸到輸出的過程是復雜的，甚至可能是神秘的，但行為是明確定義的。 神秘的部分是能量通過充電電流存儲在電感器的磁場中，當電流中斷時，磁場會崩潰，同時試圖保持充電電流的方向和流動。 雖然我們看不到神秘的磁場充電/放電周期，但我們知道電感器電流作為時間的函數線性增加，由鋸齒波描述。

該波形的 RMS 電流使用以下公式計算：

使用以下公式計算電壓：

這是電感器電流，在上面的 RMS 電流公式中引用：

這三個方程將成為我們開關電源設計的基礎。 為了磨練我們的開關電源設計技能，我們將設計三種電源：一種產生 +5V(圖 3)，一種產生 +35V(圖 4)，第三種產生 ?15V(圖 5)，均來自 +15V輸入電壓。

請注意，對于所有三個電源，我們使用同一 FPGA 模塊 (pcontrol) 的實例，該模塊具有一個由比較器驅動的反饋輸入和一個驅動開關晶體管的輸出。 該模塊還具有啟用輸入以將其打開/關閉。 我們來分析一下圖3所示的電路，也就是俗稱的降壓轉換器開關電源拓撲。

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圖 3 降壓轉換器開關電源拓撲

最初 Q1A 和 Q1B 關閉，C1 上的電壓為零，由于 2.5V 電壓施加到 VREF_2V5 輸入，這迫使 U1A 輸出 (P5_FBK) 邏輯高電平，表明我們的 VP5 電源輸出低于 5V。輸出電壓通過 R7、R8 分壓器設置為 5V，可以是 2.5V 以上的任何值。

作為響應，FPGA 電源控制模塊 (PCM) 將脈沖 P5_CNTL 引腳持續 TON 持續時間為高電平。該電壓將打開 Q1A，隨后 Q1B 將使用 VP15 (15V) 輸入電壓為 L1 電感器充電。在 T(on) 持續時間后，Q1A 和 Q1B 閉合，切斷 L1 充電電流。此時，L1 已將先前的電流存儲在磁場中，并試圖通過拉電流來保持電流的流動方向和幅度。該電流流經 D1 并開始為 C1 充電并為負載供電(圖中未顯示)。L1完全放電后，D1閉合，電路為下一個周期做好準備。多個周期后，VP5 電壓攀升至 5V 電平，觸發 U1A 引腳 1 至低電平，有效地禁用 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，使其成為一個閉環系統，可以主動監控輸出電壓。請注意，此描述保持基本狀態以傳達此電路的工作原理。

這種用于開關電源設計的方法有一個優點：能夠設置最大輸出電流并通過指定 TON 實現數字輸出電流限制，使 Q1B 在安全區運行，即使輸出接地短路也是如此。這是使用上面列出的第三個公式并選擇晶體管的最大電流 (IpK) 作為計算基礎來完成的。請參見下表 ，了解此計算示例和圖 4 電路，這是一個反向降壓開關電源拓撲。

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圖 4 反向降壓開關電源拓撲

遺憾的是，在升壓轉換器(圖 5)中，我們無法控制最大輸出電流，因為它受到流經 L1 和 D1 的正向電流的限制。

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圖 5升壓轉換器拓撲

PCM 將使用循環十六進制列中指示的計算值作為最大 TON 設置。

輸出可用功率由 P = Vrmc * Irmc 公式計算得出，該公式描述了輸出上的可用直流功率，并根據 70% 的估計效率進行了調整。這些計算如下表 所示。

調整此表中的值時，盡量將開關頻率保持在 500 kHz 以下，并將占空比保持在 80% (0.8) 以下，以將損耗保持在較低水平。

這里有一些關于圖 3-5 電路元件選擇的注意事項。選擇飽和電流至少是所選 IpK 兩倍的電感器 L1 很重要。建議二極管 D1 使用肖特基二極管，以最大限度地減少由于正向壓降造成的效率損失。在大電流開關中，它被一個次級 MOSFET 取代，該次級 MOSFET 在二極管導通后立即導通并與其并聯。為該電路選擇的晶體管不是最佳的，但可以很好地工作，提供小尺寸。在大電流開關電源設計中，通常在輸出級使用 MOSFET。

C1 的值不如 L1 重要，但會決定輸出紋波電壓。請注意，應選擇低 ESR(低于 200 毫歐)。還要盡量使其保持合理的大，因為已知開關電源在輸出端具有 50 至 100 mV 的紋波。這種紋波不能僅通過增加 C1 值來降低。

很多時候，我們需要生成“干凈”電壓，以便為儀表放大器、ADC 和其他精密模擬電路等敏感模擬電路供電。為此，我們需要添加有源濾波以使用圖 2-4 中描述的開關電源(圖 2)。該電路從 +12V 電源提供 VP_OP 電壓，從 ?12V 提供 VN_OP。這是低于電源的兩個基極/發射極電壓。

該電路看似簡單，但乍一看卻不是很明顯。 請注意，組合 hfe Q1 (Q2) 高于 3000，這對 C1 電容器值具有倍增效應。 簡而言之，VP_OP 的行為就像連接到 0.6F 電容器一樣。 換句話說，它和電池電源一樣干凈。 該電路的缺點在于，由于 Vbe 的變化，VP_OP 會在很小的范圍內隨溫度變化。 這對于為精密電子設備/運算放大器供電并不重要，但我們應該意識到這一點。 另一個“特性”是上電時啟動緩慢，這由 RC 常數決定。

審核編輯：湯梓紅