为FPGA选用合适的电源稳压模块

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当CPU的计算能力接近饱和的时候,FPGA以其优异的计算能力,成了各大厂商选择的CPU“加速器”,那么,FPGA是什么呢?FPGA是一种提供许多逻辑单元和其他功能(如收发器、PLL和用于复杂处理任务的MAC单元)的器件。FPGA现在变得非常强大,有效地为它们供电是设计的一个重要方面,这一点常常被低估。
 
本文分析了针对FPGA的电源要求,提供了关于如何将其放在PCB上和放在什么位置的指导,并通过一个设计示例让读者熟悉设计步骤,设计当中FPGA所在的系统由12V总线供电,这是来自市电供电SMPS的主输出。
 
功耗估算器和电压要求
 
FPGA设计的一个重要方面是确定所需电压要求和每个电压轨的电流要求。各大FPGA厂商都提供了综合性计算器来帮助确定这些要求,考虑因素包括器件工作频率、所用门电路数量以及门电路的切换率。例如,Altera提供了PowerPlay Early Power Estimator,Xilinx提供了XPower Analyzer。
 
POL和配电系统
 
核心电压较低的FPGA需要高电流、高精度和最小纹波。为实现这一目标,去耦电容器的位置应当尽量邻近FPGA,使去耦通路中的ESR和ESL最小。
 
另一种合适做法是将POL稳压器放在尽量邻近器件的位置,但不影响FPGA的输入和输出路径。更高的工作频率和控制、驱动器与MOSFET和集成度有助于实现紧凑的布局。小解决方案占位面积允许将稳压器放在FPGA的近旁,从而改善稳压器瞬态响应。
 
在选择稳压器时,首要选择标准之一是所要求的输入工作电压。其次应当检查电流要求。在最终备选器件名单确定后,再对一些特性进行检查,如工作频率范围、低电流模式省电量等,这样设计人员就能确定最适合应用的器件。
 
BD95601MUV与BD95602MUV是支持近年来的低电压大电流电源规格的开关稳压器控制器IC,不仅效率高、具备多种保护功能,作为需要高精度、高稳定性的FPGA与CPU的电源,还具备最佳的性能。
 
这些电源IC之所以被用于ROHM与安富利联合开发的赛灵思7系列FPGA及Zynq®-7000 All Programmable SoC的评估套件Mini-Module Plus 用电源模块,有几个关键原因。
 
graf_0526_03
 
近年来的高端FPGA电源规格复杂,要求高初始精度、低纹波、高速负载瞬态响应以及启动时序控制。右图为上述电源模块的输出配置,生成各输出的开关稳压器控制器IC与电压/电流。
 
所要求的电压精度因电源的种类而稍有差异,例如假设1V输出为±3%精度,5V/3.3V等系统电压通常为±5%精度,因此仅按比率考虑的话,±3%多少有点严格,实际的容许电压当然更小。
 
3.3V±3% 为 3.3V±99mV 相应的 1.0V±3% 为 1.0V±30mV
 
这是包含纹波电压的精度要求,对开关稳压器来说是非常严苛的条件。即使平均输出电压精确到1V,纹波电压需要在±30mV以内。实际上会产生因负载调整与负载瞬态带来的输出电压变动时,需要为确保基本精度,并尽力抑制纹波电压。
 
BD95601MUV与BD95602MUV正是诸多特性均满足这些FPGA的电源要求的产品。
 
・可高速瞬态响应的H3Reg™ 同步整流降压型开关稳压器控制器
・1ch: BD95601MUV、 2ch: BD95602MUV
・最大效率95%以上
・可选择轻负载模式、连续PWM模式。静音轻负载模式(BD95602)
・通过可调整的软启动功能,降低启动时的突入电流
・电源正常(Power Good)输出
・多种保护功能:自动恢复型过电流保护(OCP)、短路保护、过热保护(TSD)、防止低电压误动作(UVLO)
 
  BD95601MUV(1ch) BD95602MUV(2ch)
输入电压范围 4.5V~25V 5.5V~28V
输出电压范围 0.75V~2.0V 1.0V~5.5V
基准电压 0.75V±1.0% 0.7V±1.0%
开关频率 200k~500kHz 150k~500kHz
封装 VQFN20V4040 VQFN32V5050

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基本上,这两个产品都既要保持同步整流型降压控制器的高效,也要保持轻负载模式下,轻负载时的高效。基准电压支持0.75V/0.7V的低电压,±1% 的精度比上述±3%的精度要求要好,基本是低纹波。此外,通过ROHM独有的H3Reg 控制模式,负载瞬态响应可以非常高速。这些特征能使输出电压保持高精度和高稳定。

 

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