James R. Staley 和 Matthias Bust

現(xiàn)代現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）系列，如萊迪思半導(dǎo)體CertusPro?-NX適用于廣泛的應(yīng)用，但功率要求是根據(jù)特定的市場驅(qū)動需求量身定制的。如果不了解如何仔細平衡成本、性能和尺寸這三要素，選擇為這些器件供電的最佳方法可能具有挑戰(zhàn)性。本文介紹了CertusPro-NX評估板的解決方案，同時也深入探討了每種解決方案如何以及為什么提供哪些功能來優(yōu)化解決方案以滿足特定需求。雖然μModule電源解決方案因其小尺寸和設(shè)計簡單性而為FPGA系統(tǒng)提供了一種非常引人注目的設(shè)計方法，但電源系統(tǒng)架構(gòu)師可能會考慮其他選項。

介紹

萊迪思半導(dǎo)體CertusPro-NX評估板旨在讓用戶研究和試驗CertusPro-NX FPGA的特性。它的功能可以幫助用戶快速原型設(shè)計和測試其特定設(shè)計。該評估系統(tǒng)包括用于FPGA電源選項的板載穩(wěn)壓器。大多數(shù)電源軌可根據(jù)用戶的喜好進行選擇。

本文旨在為萊迪思半導(dǎo)體CertusPro-NX FPGA評估板的每個電源選項提供最新的功耗建議?？紤]到設(shè)計復(fù)雜性、效率、解決方案尺寸和成本，該電源解決方案必須包括最先進且性能最佳的電源產(chǎn)品。通常情況下，評估板采用電源架構(gòu)設(shè)計，以展示FPGA的全部功能集。這種方法對于評估是必要的，但可能不適合在不要求全部性能的系統(tǒng)中采用。對于針對小物理板尺寸進行優(yōu)化的縮小實現(xiàn)來說，它可能太大。哪種解決方案最適合給定的CertusPro-NX應(yīng)用將取決于系統(tǒng)架構(gòu)師認為哪些優(yōu)先級對特定項目最有吸引力。

分立式解決方案（帶有外部電源元件的專用電源IC）優(yōu)先考慮效率性能和成本，而不是物理布局尺寸。在優(yōu)先考慮最緊湊外形的系統(tǒng)中，ADI公司的μModule解決方案提供了傳統(tǒng)布局無法實現(xiàn)的無與倫比的能量密度，同時仍比現(xiàn)有的CertusPro-NX參考設(shè)計具有性能優(yōu)勢。該參考設(shè)計在這方面是獨一無二的，因為它允許系統(tǒng)架構(gòu)師根據(jù)他們對自己所需的平臺設(shè)計目標(biāo)和約束的深入了解，選擇他們希望將其納入其平臺的電源解決方案版本。通過仔細研究兩個版本的數(shù)據(jù)，可以慎重選擇哪種設(shè)計更適合尺寸、性能和成本權(quán)衡，以最大限度地與項目工程規(guī)范保持一致。

CertusPro-NX 評估板電源架構(gòu)

CertusPro-NX 評估板的大部分板載穩(wěn)壓器均由外部 12 V 電源供電。FPGA 的每個 VCCIO 引腳都有其默認和可選的電源選項，可根據(jù)用戶的應(yīng)用根據(jù)其應(yīng)用進行偏好。圖 1 顯示了連接到 FPGA 特定 VCCIO 引腳的可用電壓軌。VCCIO引腳的可用電壓選項總結(jié)于表1。

圖1.CertusPro-NX FPGA VCCIO引腳電壓選項。

FPGA 的 VCCIO 引腳 使用 的 每 個 電壓 軌 均 由 各種 板 載 穩(wěn)壓器 產(chǎn)生。主電源通過外部 12 V DC 電源供電，CertusPro-NX 評估板用戶指南第 1.4 節(jié)對此進行了討論。圖2顯示了板載穩(wěn)壓器通過12 V DC外部電源供電產(chǎn)生的不同電壓輸出軌。LDO穩(wěn)壓器還用于后置穩(wěn)壓，以產(chǎn)生較低的電壓，同時降低輸出端的噪聲。

圖2.CertusPro-NX 評估板電源方案。

推薦的電源解決方案架構(gòu)

作為評估板的輸入電壓，使用穩(wěn)定的12 V墻上適配器?？紤]到該輸入源和電路板上所需的電壓電平，可以使用單個降壓方法直接從12 V生成所有必要的電壓軌。如果用戶需要更寬的輸入電壓范圍，或使用更高的輸入電壓（例如，24 V），則可以考慮切換到兩步法，首先產(chǎn)生一個中間電壓軌，例如2.5 V或0.3 V，然后可用于為產(chǎn)生較低電壓的以下穩(wěn)壓器供電， 如圖3所示。

圖3.兩種降壓方法與單降壓方法。

選擇哪種拓撲的決定會影響各種參數(shù)，如效率、每個轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和總解決方案尺寸。在每次新實施中都需要仔細考慮這些，以優(yōu)化每個新產(chǎn)品設(shè)計的電源架構(gòu)。此外，可能需要適當(dāng)?shù)妮斎氡Ｗo和濾波電路。

CertusPro-NX評估板的兩種電源解決方案變體在設(shè)計時考慮了不同的優(yōu)先級，均使用所述的單降壓方法。第一種是分立式解決方案，它使用單片DC-DC穩(wěn)壓器，并提供外部電路，允許用戶單獨優(yōu)化組件，以獲得最佳性能。第二種是采用ADIμModule技術(shù)的全集成解決方案，為應(yīng)用提供了最緊湊、最簡單的布局解決方案，同時仍提供出色的電源解決方案性能。

LTPowerPlanner 中提供了 CertusPro-NX 評估板的更新電源解決方案架構(gòu)，該工具允許優(yōu)化系統(tǒng)級電源樹。然后，LTpowerCAD用于為每個選定的DC-DC IC提供詳細的電路建議，包括根據(jù)IC使用情況和周圍無源元件的條目計算估計的電路性能。這些程序是Windows工具套件的一部分，可以從LTpowerCAD網(wǎng)頁下載。此網(wǎng)頁還提供文檔、培訓(xùn)材料和視頻以開始使用。??

分立式電源解決方案

分立式電源解決方案允許設(shè)計人員針對特定解決方案優(yōu)化外部電路組件，從而為每個電源軌提供最佳的單獨DC-DC穩(wěn)壓器性能。更新后的分立式電源解決方案建議與現(xiàn)有電源解決方案相比，性能顯著提高。所有DC-DC穩(wěn)壓器均使用同步內(nèi)部開關(guān)，以最大限度地提高效率，同時仍保持緊湊的設(shè)計和出色的EMI性能。圖4顯示了CertusPro-NX評估板的分立解決方案電源樹。

開關(guān)穩(wěn)壓器

LT8653S

LT8653S 采用第二代靜音開關(guān)架構(gòu)，以最大限度地降低 EMI 輻射，同時在高開關(guān)頻率下提供高效率。帶寬 V?在范圍和雙 2 A 輸出，是理想的選擇候選。

ADP2387

需要兩個電壓為1.8 V和3.3 V的電源軌來提供高于LT8653S所能提供的輸出電流。它們分別為 4 A 和 3 A。根據(jù)這些要求，ADP2387被確定為該應(yīng)用的理想選擇。

線性穩(wěn)壓器

MAX38903C

MAX1C是一款低噪聲線性穩(wěn)壓器，在CertusPro-NX評估板的38903 V電源軌上用作具有高噪聲抑制能力的后置穩(wěn)壓器，在1 Hz至5 kHz范圍內(nèi)提供高達5 A的輸出電流，輸出噪聲僅為10.100 μV rms。MAX38903C的低輸出噪聲和高噪聲抑制特性使其成為CertusPro-NX評估板電源方案的明智選擇。

ADP1707

ADP1707-1.8是一款CMOS低壓差線性穩(wěn)壓器，輸出電壓為1.8 V，在1 mm×3 mm裸露焊盤LFCSP中提供高達3 A的輸出電流。這使其成為一種非常緊湊的解決方案，并且還為需要高達1 A輸出電流的應(yīng)用提供出色的熱性能，尺寸小，扁平，適用于CertusPro-NX評估板的電源解決方案。

μ模塊電源解決方案

另一方面，在不犧牲性能質(zhì)量的情況下，該模塊解決方案利用ADI的μModule技術(shù)提供了最小、最簡單的解決方案。ADI公司的μModule穩(wěn)壓器和DC-DC電源產(chǎn)品是完整的系統(tǒng)級封裝（SiP）電源管理解決方案，集成了DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補償元件和電感器，采用緊湊的表面貼裝BGA或LGA封裝。μModule電源產(chǎn)品支持降壓、降壓和升壓、電池充電器、隔離式轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動器等功能。

圖5顯示了使用μModule部件的CertusPro-NX評估板的電源解決方案樹。外部12 V輸入電源之后的第一級是μModule DC-DC穩(wěn)壓器陣列。下一階段由線性穩(wěn)壓器組成。在μModule設(shè)計（圖5）或分立解決方案（圖4）中選擇的線性穩(wěn)壓器相同>。

圖4.由 LTPowerPlanner 工具建模的離散解決方案電源樹。

圖5.μ模塊解決方案電源樹。

圖6.離散解的VDD_1V8和VCC_3V3軌原理圖。

開關(guān)穩(wěn)壓器模塊

LTM8078

LTM8078是一款40 V在、雙通道 1.4 A/單通道 2.8 A 降壓靜音開關(guān) μModule 穩(wěn)壓器。其靜音開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)可最大限度地降低 EMI，同時在高達 3 MHz 的頻率下提供高效率。 封裝中包括控制器、電源開關(guān)、電感器和支撐元件。工作在寬輸入電壓范圍和 300 kHz 至 3 MHz 的開關(guān)頻率范圍內(nèi)，每個范圍由單個電阻器設(shè)置，只需大容量輸入和輸出濾波電容即可完成設(shè)計，使其成為 CertusPro-NX 評估板的理想電源解決方案選項。

LTM4625

LTM4625是一款完整的5 A降壓型開關(guān)模式μModule穩(wěn)壓器，采用纖巧的6.25 mm×6.25 mm×5.01 mm BGA封裝。其高效率設(shè)計可提供高達 5 A 的連續(xù)輸出電流。只需要大容量輸入和輸出電容。高開關(guān)頻率和電流模式控制可在不犧牲穩(wěn)定性的情況下對線路和負載變化做出非?？焖俚乃矐B(tài)響應(yīng)。

LTM8078 和 LTM4625 μModule 開關(guān)穩(wěn)壓器提供了最簡單的優(yōu)質(zhì)解決方案，從而消除了復(fù)雜性并避免了空間限制。

電源解決方案設(shè)計詳細說明 CertusPro-NX 評估板

分立式解決方案設(shè)計

根據(jù)CertusPro-NX FPGA數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的推薦工作條件，電源電壓應(yīng)在典型值的±5%以內(nèi)。在設(shè)計中，反饋電阻和V的容差帶來的直流輸出誤差裁判穩(wěn)壓器的電壓、輸出電壓紋波和負載瞬態(tài)響應(yīng)已經(jīng)在5%中考慮。由于存在這些誤差，它仍將落在FPGA推薦工作條件的5%允許值范圍內(nèi)。

所有電源軌的完整數(shù)據(jù)可從ADI的客戶辦公室解決方案部門獲得，但表2包括選定的電源軌，以顯示1.35 A LT8653S和3 A/4 A ADP2387輸出的典型代表性性能。

軌道 1：VDD_1V8

該電壓軌需要1.8 V輸出電壓，并且能夠提供高達1.35 A的輸出電流。通過使用LT8653S的一個通道可以滿足這一要求。在設(shè)計中仔細觀察應(yīng)用輸出負載電流下±5%的總輸出電壓誤差，以確保滿足推薦的工作條件。

為了實現(xiàn)高直流精度，利用了內(nèi)部基準(zhǔn)特性。該器件的通道配置為1.8 V反饋基準(zhǔn)電壓，消除了電阻值和容差引起的誤差。圖6顯示了LTPowerCAD生成的VDD_1V8和VCC_3V3原理圖。

在評估電源軌以確保輸出處于推薦的工作條件下時，以非?？旌透哓撦d階躍作為激勵來評估負載瞬態(tài)響應(yīng)。階躍負載設(shè)置為0 A至1 A步進，壓擺率為10 A/μs，脈沖持續(xù)時間為150 μs。圖7顯示了VDD_1V8軌的瞬態(tài)負載響應(yīng)。頂部波形CH2顯示輸出響應(yīng)，底部波形CH4顯示輸出負載電流。

圖7.VDD_1V8瞬態(tài)負載響應(yīng)。

從結(jié)果來看，考慮到負載瞬態(tài)期間的過沖和下沖，包括輸出紋波，電壓在推薦的工作條件下±5%。

軌道 2：VCC_3V3

VCC_3V3軌利用LT8653S的第二個通道和VDD_1V8。與VDD_1V8一樣，VCC_3V3軌必須能夠在CertusPro-NX FPGA的VCCIO引腳上提供1.35 A輸出電流作為電源。還有一個用于固定3.3 V輸出的IC選項，該輸出帶有內(nèi)部調(diào)整反饋分壓器，因此可實現(xiàn)高直流精度。原理圖和電路元件值也如圖6所示，瞬態(tài)響應(yīng)如圖8所示。頂部波形CH2顯示輸出響應(yīng)，底部波形CH4顯示輸出負載電流。表4顯示了瞬態(tài)負載響應(yīng)結(jié)果，其中過沖和下沖（包括輸出紋波）都將電壓保持在推薦的±5%工作條件下。

圖8.VCC_3V3軌的負載瞬態(tài)響應(yīng)。

鐵路 7： VCC_ADJ

VCC_ADJ軌需要1.8 V輸出電壓，并且應(yīng)該能夠向VCCIO和FMC連接器提供高達4 A的輸出電流。在設(shè)計中仔細觀察應(yīng)用輸出負載電流下±3%的總輸出電壓誤差，以確保滿足推薦的工作條件。

為了實現(xiàn)高直流精度，利用了內(nèi)部基準(zhǔn)特性。該器件的誤差放大器配置為1.8 V反饋基準(zhǔn)電壓，以補償電阻值和容差。

使用高壓擺率電流階躍評估電源軌瞬態(tài)響應(yīng)，以確保輸出電壓在工作期間始終保持在容差限值內(nèi)。階躍負載設(shè)置為0 A至1 A步進，壓擺率為10 A/μs，脈沖持續(xù)時間為150 μs。圖9顯示了VDD_1V8軌的瞬態(tài)負載響應(yīng)。頂部波形CH2顯示輸出響應(yīng)，底部波形CH4顯示輸出負載電流。

圖9.VCC_ADJ瞬態(tài)負載響應(yīng)。

從結(jié)果來看，考慮到負載瞬態(tài)期間的過沖和下沖，包括輸出紋波，電壓在推薦的工作條件下±5%，優(yōu)于目標(biāo)值3%。

軌道 8：VDD_3V3

VDD_3V3軌必須能夠提供 3 A 輸出電流，作為 CertusPro-NX FPGA 板的 FMC 連接器引腳的電源。瞬態(tài)響應(yīng)如圖11所示。頂部波形CH2顯示輸出響應(yīng)，底部波形CH4顯示輸出負載電流。表6顯示了瞬態(tài)負載響應(yīng)結(jié)果，其中過沖和下沖（包括輸出紋波）都將電壓保持在推薦的工作條件下±3%。

圖 10.VDD_3V3軌的負載瞬態(tài)響應(yīng)。

μ模塊解決方案設(shè)計

與上一節(jié)分立設(shè)計相同的規(guī)格適用于μModule建議，因此此處不詳細討論這些規(guī)格。μModule解決方案犧牲了一些性能，在布局上占用空間要小得多。相同的采樣點將顯示為比較。

ADI的客戶辦公室解決方案事業(yè)部提供了所有電源軌的完整數(shù)據(jù)，但表7包括選定的電源軌，以顯示1.35 A LTM8078和3 A、4 A LTM4625輸出的典型代表性性能。

軌道 1：VDD_1V8

通道 1 電壓軌采用 0.1% 電阻，以確保符合應(yīng)用的 DC + 瞬態(tài)總?cè)莶钤Ａ恳蟆D11顯示了最壞情況下負載階躍捕獲的波形數(shù)據(jù)，表8顯示了捕獲的光標(biāo)數(shù)據(jù)的摘要。

圖11.VDD_1V8瞬態(tài)負載響應(yīng)。

軌道 2：VCC_3V3

VCC_3V3軌 （LTM2 的通道 8078） 還采用 0.1% 電阻器，以確保符合應(yīng)用的電壓裕量要求。圖12顯示了最壞情況下負載階躍捕獲的波形數(shù)據(jù)，表9顯示了捕獲的光標(biāo)數(shù)據(jù)的摘要。

圖 12.VCC_3V3瞬態(tài)負載響應(yīng)。

鐵路 7： VCC_ADJ

圖13.VCC_ADJ瞬態(tài)負載響應(yīng)。

LTM4625 通道 1 電壓軌采用標(biāo)準(zhǔn)的 1% 電阻器，以確保符合應(yīng)用的 DC + 瞬態(tài)總?cè)莶钤Ａ恳?。圖13顯示了最壞情況下負載階躍捕獲的波形數(shù)據(jù)，表10顯示了捕獲的光標(biāo)數(shù)據(jù)的摘要。

軌道 8：VDD_3V3

VDD_3V3軌 （LTM2 的通道 3625） 還采用 1% 電阻器，以確保符合應(yīng)用的電壓裕量要求。圖14顯示了最壞情況下負載階躍捕獲的波形數(shù)據(jù)，表11顯示了捕獲的光標(biāo)數(shù)據(jù)的摘要。

圖 14.1VDD_3V3瞬態(tài)負載響應(yīng)。

結(jié)論

聲音功率架構(gòu)需要仔細平衡與尺寸、性能和成本相關(guān)的權(quán)衡。這兩種設(shè)計中的一種將更適合任何CertusPro-NX平臺。如前所述，可根據(jù)要求提供兩種設(shè)計所有電源軌的完整效率、紋波和瞬態(tài)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，無論是分立式還是模塊設(shè)計方法，都能夠滿足CertusPro-NX的性能參數(shù)，并留出余量。任何未來的設(shè)計都應(yīng)采用最適合目標(biāo)市場的方法。作者希望通過對本文介紹的數(shù)據(jù)集和設(shè)計理念的仔細分析，能夠自信地整合萊迪思FPGA功耗。設(shè)計工程師、系統(tǒng)架構(gòu)師和項目經(jīng)理都可以對與電源部件和拓撲選擇相關(guān)的權(quán)衡取舍有共同的理解。無論個性化設(shè)計規(guī)范需要什么優(yōu)先級，ADI電源解決方案都可以定制，以更符合特定標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷