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構建開關模式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,并生成開關所需的脈寬調制。使用這種模擬元件時,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。現在,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。
本文引用地址:http://www.j9360.com/article/132637.htmDC/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)、反相(將正輸入轉變為負輸出)和SEPIC(單端初級電感轉換器)。SEPIC器件可保持持續的輸出電壓,并能根據環境要求對輸入電壓步進或步降,因此是電池供電應用常見的選擇。
控制基礎
無論實施控制回路是通過FPGA還是采用模擬技術,DC/DC轉換器控制基礎都一樣。開關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為輸出,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開關FET實現,該開關FET由控制器提供的脈寬調制信號控制。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節PWM占空比,從而確保較大電流瞬變或系統啟動時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,FPGA還可提供一系列獨特的優勢,其中大多數除一定的HDL編碼外無需任何特殊要求即可在FPGA自身中輕松實現。不過,這種方法需要模數轉換機制(基于ADC或其它方法)將電流輸出電壓反饋至FPGA,從而協助控制算法來確定PWM輸出所需的調節。
FPGA控制的優勢
數字控制相對于傳統模擬方法的優勢有很多,遠遠超過了數字控制組件參數變化帶來的相關問題(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)。控制算法可通過DSP和控制理論技術加以調節,以確保設計實施的高效性——例如,較輕負荷下進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。數字濾波器能滿足比許多模擬應用采用的簡單RC濾波器更嚴格的濾波要求。

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