向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了
广告

用FPGA和最少的模拟电路设计电源

时间:2019-03-29 作者:Vardan Antonyan 阅读:
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。

DI1-F1-201904.JPG
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。

DI1-F2-201904.JPG
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:

DI1-E1-201904.JPG

电压用以下公式计算:

DI1-E2-201904.JPG

对于电感电流,参见上面公式中的RMS电流:

DI1-E3-201904.JPG

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。

DI1-F3-201904.JPG
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。

DI1-F4-201904.JPG
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。

DI1-F5-201904.JPG
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。

DI1-T1-201904.JPG
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。

DI1-T2-201904.JPG
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。)

本文为《电子技术设计》2019年4月刊杂志文章。

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
您可能感兴趣的文章
  • 四种用于超低功耗可穿戴医疗设备的能量采集方法 能量收集解决方案已被设计为电池的辅助电源,或作为不受能耗限制的可穿戴设备永久使用的独立电源。
  • 老外拆解华为户外无线基站:都用了谁家的芯片? 华为作为全球第一大通信设备商,他的基站是怎么设计出来的呢?它都用了哪些芯片?PCB电路设计结构如何?带着一堆问题,老外拆解了华为RRU3908,一个户外无线基站,它的每个射频前端输出功率为20/40瓦。
  • 3分钟充电80%,三星的S Pen手写笔是如何做到的? 我们在前不久于日本千叶举办的CEATEC 2019展会上,尼吉康展位看到的一枚形似电容器的东西——它就是为这代S Pen供电的电池。这的确是一枚“小型锂离子可充电电池”,而如去年的Galaxy Note 9所用S Pen选择的则是EDLC,即电气双层电容器。
  • 拆解华强北360元山寨AirPods Pro,内部粗糙凌乱 在AirPods Pro发售不久后,知名拆解网站 iFixit 就详尽拆解了AirPods Pro ,EDN也发表了这份拆解报告。不少网友一边吐槽AirPods Pro的外观设计,另一边却又因降噪功能纷纷入手这款“豌豆射手”。“山寨殿堂”华强北当然不会放过这款火爆的产品,这不,小编在最近的朋友圈看到,山寨的AirPods pro开始量产……
  • 有线充电与无线充电能否同时使用?同时使用会怎么样? 现如今越来越多的手机都搭载了无线充电技术,加上传统的有线充电,我们总共可以通过两种方式为其充电蓄能。正常为手机充电的时候我们都会选择其中一种,无线或有线。但也有脑洞大开的清奇少年,他们觉着同时使用有线+无线两种充电方式为手机充电速度将会更加快。事实真是如此吗?
  • 用有源钳位正激转换器闭环 有源钳位正激(ACF)控制器在高频dc-dc模块中很受欢迎:近零电压开关、减小尺寸的磁性器件和高能效的设计是ACF的特点。如果设计功率级需要注意任何高功率设计,那么从转换器的控制-输出传递函数可以很好地了解补偿策略,以满足交越和相位裕度等设计目标。本文将先论述ACF传递函数,然后再给出一个典型的补偿示例。
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告