一种开关电源设计的极简方法
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。
iPhone8定制双卡版，苹果为迎合中国大陆市场的妥协？
IBM要进军区块链不是开玩笑，年均投入达1.6亿美元
互联网和无线网络平台，对自动售货机联网实现远程控制
米尔科技bootdelay参数设置为0解决方案
IPSEC VPN 和SSL VPN的区别和选择技巧
一种开关电源设计的极简方法
静态电流什么意思 静态电流和动态电流的区别
mp3芯片的采样率越高是不是对应的音质也越高
开拓蓝海,5G智能网关究竟值不值？
终端电阻的作用是什么
物联网技术的发展对人们就业情况的影响
人臉識別一体机人工智能技术爆发“鐵人三甲”
浙江新一代人工智能发展规划：大力发展“人工智能+”，5年规模超500亿
微机保护硬件的构成
中兴通讯为赞比亚提供业界领先的定制化超100G骨干光网络建设方案
研华工控机IPC-510的配置参数｜IPC-510产品说明书
面向PLC的自动代码生成基础
京东方意向收购显示器整机业务
内存内核中发生页面迁移的典型场景
一项名为EMAR项目的社会治疗机器人研究计划
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。
iPhone8定制双卡版，苹果为迎合中国大陆市场的妥协？
IBM要进军区块链不是开玩笑，年均投入达1.6亿美元
互联网和无线网络平台，对自动售货机联网实现远程控制
米尔科技bootdelay参数设置为0解决方案
IPSEC VPN 和SSL VPN的区别和选择技巧
一种开关电源设计的极简方法
静态电流什么意思 静态电流和动态电流的区别
mp3芯片的采样率越高是不是对应的音质也越高
开拓蓝海,5G智能网关究竟值不值？
终端电阻的作用是什么
物联网技术的发展对人们就业情况的影响
人臉識別一体机人工智能技术爆发“鐵人三甲”
浙江新一代人工智能发展规划：大力发展“人工智能+”，5年规模超500亿
微机保护硬件的构成
中兴通讯为赞比亚提供业界领先的定制化超100G骨干光网络建设方案
研华工控机IPC-510的配置参数｜IPC-510产品说明书
面向PLC的自动代码生成基础
京东方意向收购显示器整机业务
内存内核中发生页面迁移的典型场景
一项名为EMAR项目的社会治疗机器人研究计划