如何用FPGA構建更出色的DC/DC調節器

　　摘要：設計人員此前一直使用模擬元件來(lái)構建開(kāi)關(guān)模式DC/DC轉換器(定制型IC、運算放大器、電阻、電容等)，控制反饋回路，并生成開(kāi)關(guān)所需的脈寬調制。使用這種模擬元件時(shí)，我們必須考慮一系列因素，包括容差、電氣應力、老化漂移以及溫度漂移，這樣才能確保設計方案的穩定性?，F在，我們擁有低成本低功耗FPGA以及模數轉換器，使得FPGA能夠取代傳統的模擬設計方法。

　　DC/DC轉換器的設計采用四種主要拓撲之一：降壓(步降)、升壓(步進(jìn))、反相(將正輸入轉變?yōu)樨撦敵?和SEPIC(單端初級電感轉換器)。SEPIC器件可保持持續的輸出電壓，并能根據環(huán)境要求對輸入電壓步進(jìn)或步降，因此是電池供電應用常見(jiàn)的選擇。

　　控制基礎

　　無(wú)論實(shí)施控制回路是通過(guò)FPGA還是采用模擬技術(shù)，DC/DC轉換器控制基礎都一樣。開(kāi)關(guān)模式調節器在電感中存儲電能，并在穩壓反饋回路控制下將電能轉變?yōu)檩敵?，而選定的拓撲則將決定輸出電壓的效果。電感電流到輸出的轉變通過(guò)開(kāi)關(guān)FET實(shí)現，該開(kāi)關(guān)FET由控制器提供的脈寬調制信號控制?？刂破鞑捎秒娏鬏敵鲭妷汉退鑵⒄针妷褐g的差異來(lái)調節PWM占空比，從而確保較大電流瞬變或系統啟動(dòng)時(shí)獲得所需的輸出電壓。

　　基于FPGA的系統所需的模塊與模擬系統一樣，即PWM生成、誤差計算和調節PWM的控制算法。與此同時(shí)，FPGA還可提供一系列獨特的優(yōu)勢，其中大多數除一定的HDL編碼外無(wú)需任何特殊要求即可在FPGA自身中輕松實(shí)現。不過(guò)，這種方法需要模數轉換機制(基于A(yíng)DC或其它方法)將電流輸出電壓反饋至FPGA，從而協(xié)助控制算法來(lái)確定PWM輸出所需的調節。

　　FPGA控制的優(yōu)勢

　　數字控制相對于傳統模擬方法的優(yōu)勢有很多，遠遠超過(guò)了數字控制組件參數變化帶來(lái)的相關(guān)問(wèn)題(圖1顯示了FPGA控制的降壓轉換器)。相對于傳統方法而言，FPGA能夠以更快的頻率運行，并能更迅速地對瞬變電流負荷做出積極響應(在某些應用中可能減少對多相轉換器的需求)?？刂扑惴赏ㄟ^(guò)DSP和控制理論技術(shù)加以調節，以確保設計實(shí)施的高效性——例如，較輕負荷下進(jìn)行脈沖跳躍以及持續和斷續模式之間的切換等。濾波等DSP技術(shù)可替代用于反饋電壓或感應電流的濾波電容等外部組件的需求。數字濾波器能滿(mǎn)足比許多模擬應用采用的簡(jiǎn)單RC濾波器更嚴格的濾波要求?！　?/p>