如何用FPGA构建更出色的DC/DC调节器

摘要：设计人员此前一直使用模拟元件来构建开关模式DC/DC转换器(定制型IC、运算放大器、电阻、电容等)，控制反馈回路，并生成开关所需的脉宽调制。使用这种模拟元件时，我们必须考虑一系列因素，包括容差、电气应力、老化漂移以及温度漂移，这样才能确保设计方案的稳定性。现在，我们拥有低成本低功耗FPGA以及模数转换器，使得FPGA能够取代传统的模拟设计方法。

DC/DC转换器的设计采用四种主要拓扑之一：降压(步降)、升压(步进)、反相(将正输入转变为负输出)和SEPIC(单端初级电感转换器)。SEPIC器件可保持持续的输出电压，并能根据环境要求对输入电压步进或步降，因此是电池供电应用常见的选择。

控制基础

无论实施控制回路是通过FPGA还是采用模拟技术，DC/DC转换器控制基础都一样。开关模式调节器在电感中存储电能，并在稳压反馈回路控制下将电能转变为输出，而选定的拓扑则将决定输出电压的效果。电感电流到输出的转变通过开关FET实现，该开关FET由控制器提供的脉宽调制信号控制。控制器采用电流输出电压和所需参照电压之间的差异来调节PWM占空比，从而确保较大电流瞬变或系统启动时获得所需的输出电压。

基于FPGA的系统所需的模块与模拟系统一样，即PWM生成、误差计算和调节PWM的控制算法。与此同时，FPGA还可提供一系列独特的优势，其中大多数除一定的HDL编码外无需任何特殊要求即可在FPGA自身中轻松实现。不过，这种方法需要模数转换机制(基于ADC或其它方法)将电流输出电压反馈至FPGA，从而协助控制算法来确定PWM输出所需的调节。

FPGA控制的优势

数字控制相对于传统模拟方法的优势有很多，远远超过了数字控制组件参数变化带来的相关问题(图1显示了FPGA控制的降压转换器)。相对于传统方法而言，FPGA能够以更快的频率运行，并能更迅速地对瞬变电流负荷做出积极响应(在某些应用中可能减少对多相转换器的需求)。控制算法可通过DSP和控制理论技术加以调节，以确保设计实施的高效性——例如，较轻负荷下进行脉冲跳跃以及持续和断续模式之间的切换等。滤波等DSP技术可替代用于反馈电压或感应电流的滤波电容等外部组件的需求。数字滤波器能满足比许多模拟应用采用的简单RC滤波器更严格的滤波要求。