如何用FPGA構(gòu)建更出色的DC/DC調(diào)節(jié)器

　　摘要：設(shè)計(jì)人員此前一直使用模擬元件來構(gòu)建開關(guān)模式DC/DC轉(zhuǎn)換器(定制型IC、運(yùn)算放大器、電阻、電容等)，控制反饋回路，并生成開關(guān)所需的脈寬調(diào)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(yīng)力、老化漂移以及溫度漂移，這樣才能確保設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，我們擁有低成本低功耗FPGA以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得FPGA能夠取代傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)方法。

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)采用四種主要拓?fù)渲唬航祲?步降)、升壓(步進(jìn))、反相(將正輸入轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)輸出)和SEPIC(單端初級電感轉(zhuǎn)換器)。SEPIC器件可保持持續(xù)的輸出電壓，并能根據(jù)環(huán)境要求對輸入電壓步進(jìn)或步降，因此是電池供電應(yīng)用常見的選擇。

　　控制基礎(chǔ)

　　無論實(shí)施控制回路是通過FPGA還是采用模擬技術(shù)，DC/DC轉(zhuǎn)換器控制基礎(chǔ)都一樣。開關(guān)模式調(diào)節(jié)器在電感中存儲電能，并在穩(wěn)壓反饋回路控制下將電能轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵?，而選定的拓?fù)鋭t將決定輸出電壓的效果。電感電流到輸出的轉(zhuǎn)變通過開關(guān)FET實(shí)現(xiàn)，該開關(guān)FET由控制器提供的脈寬調(diào)制信號控制。控制器采用電流輸出電壓和所需參照電壓之間的差異來調(diào)節(jié)PWM占空比，從而確保較大電流瞬變或系統(tǒng)啟動時(shí)獲得所需的輸出電壓。

　　基于FPGA的系統(tǒng)所需的模塊與模擬系統(tǒng)一樣，即PWM生成、誤差計(jì)算和調(diào)節(jié)PWM的控制算法。與此同時(shí)，F(xiàn)PGA還可提供一系列獨(dú)特的優(yōu)勢，其中大多數(shù)除一定的HDL編碼外無需任何特殊要求即可在FPGA自身中輕松實(shí)現(xiàn)。不過，這種方法需要模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)制(基于ADC或其它方法)將電流輸出電壓反饋至FPGA，從而協(xié)助控制算法來確定PWM輸出所需的調(diào)節(jié)。

　　FPGA控制的優(yōu)勢

　　數(shù)字控制相對于傳統(tǒng)模擬方法的優(yōu)勢有很多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了數(shù)字控制組件參數(shù)變化帶來的相關(guān)問題(圖1顯示了FPGA控制的降壓轉(zhuǎn)換器)。相對于傳統(tǒng)方法而言，F(xiàn)PGA能夠以更快的頻率運(yùn)行，并能更迅速地對瞬變電流負(fù)荷做出積極響應(yīng)(在某些應(yīng)用中可能減少對多相轉(zhuǎn)換器的需求)?？刂扑惴赏ㄟ^DSP和控制理論技術(shù)加以調(diào)節(jié)，以確保設(shè)計(jì)實(shí)施的高效性——例如，較輕負(fù)荷下進(jìn)行脈沖跳躍以及持續(xù)和斷續(xù)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(yīng)電流的濾波電容等外部組件的需求。數(shù)字濾波器能滿足比許多模擬應(yīng)用采用的簡單RC濾波器更嚴(yán)格的濾波要求。