【導讀】現(xiàn)代現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)系列（如Lattice Semiconductor CertusPro?-NX）適用面廣泛，但需滿足根據(jù)特定市場驅(qū)動的需求而定制的電源要求。如果不清楚該如何平衡成本、性能和尺寸這三個要素，則可能難以為這些器件選擇合適的供電方式。本文介紹了適用于CertusPro-NX評估板的解決方案，同時針對特定需求闡明了各種解決方案實現(xiàn)優(yōu)化的原理和原因。μModule?電源解決方案尺寸小巧、設計簡單，為FPGA系統(tǒng)提供了一種非常實用的設計方法，但還有其他選項可供電源系統(tǒng)架構(gòu)師考慮。
簡介
Lattice Semiconductor CertusPro-NX評估板旨在方便用戶研究和試驗CertusPro-NX FPGA的特性。其特性可以幫助用戶快速制作原型和測試特定設計。該評估系統(tǒng)包括了片上穩(wěn)壓器，用于為FPGA提供電源選項。大多數(shù)的電源軌都可以根據(jù)用戶的喜好進行選擇。
本文旨在為Lattice Semiconductor CertusPro-NX FPGA評估板的每個電源選項提供更新的電源建議。考慮到設計復雜性、效率、解決方案尺寸和成本，此電源解決方案必須包括更為先進、性能更優(yōu)的電源產(chǎn)品。通常，評估板會設計能夠展示FPGA完整特性集的電源架構(gòu)。這種方法對于評估是必要的，但可能不適用于不需要全部性能的系統(tǒng)。對于那些針對小物理尺寸電路板進行優(yōu)化的縮小版實現(xiàn)方案來說，這種電源架構(gòu)可能太大了。哪種解決方案更適合特定的CertusPro-NX應用，將取決于系統(tǒng)架構(gòu)師認為該特定項目應更優(yōu)先考慮哪些因素。
分立解決方案由專用電源IC和外圍電源器件組成，這類方案側(cè)重于效率性能和成本，其次才是物理布局尺寸。在更重視緊湊外形的系統(tǒng)中，ADI公司的μModule解決方案可帶來常規(guī)布局無法實現(xiàn)的無與倫比的能量密度，同時仍具有超越現(xiàn)有CertusPro-NX參考設計的性能優(yōu)勢。此參考設計在這方面具有專業(yè)優(yōu)勢，支持系統(tǒng)架構(gòu)師根據(jù)其對預期的平臺設計目標和限制條件的深入了解，選擇需要整合到平臺中的電源解決方案版本。架構(gòu)師可以通過仔細研究兩個版本的數(shù)據(jù)，慎重權衡相關尺寸、性能和成本，為更大程度地符合項目工程規(guī)范而做出更合適的選擇。
CertusPro-NX評估板電源架構(gòu)
CertusPro-NX評估板的大多數(shù)片上穩(wěn)壓器由外部12 V電源供電。FPGA的每個VCCIO引腳都有默認電源選項，用戶也可以根據(jù)其應用的具體情況選擇偏好的電源選項。圖1顯示了連接到FPGA特定VCCIO引腳的可用電壓軌。表1總結(jié)了VCCIO引腳可用的電壓選項。
圖1.CertusPro-NX FPGA VCCIO引腳電壓選項
表1.VCCCIO電源選項
FPGA的VCCIO引腳使用的各個電壓軌均由各種片上穩(wěn)壓器產(chǎn)生。主電源通過外部12 V直流電源提供，這在CertusPro-NX評估板 用戶指南的第1.4節(jié)中進行了討論。圖2顯示了由外部12 V直流電源供電的片上穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的不同電壓輸出軌。LDO穩(wěn)壓器也用于后調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生較低的電壓，同時降低輸出處的噪聲。
圖2.CertusPro-NX評估板電源方案
推薦電源解決方案架構(gòu)
穩(wěn)壓12 V壁式適配器用作評估板的輸入電壓。給定此輸入源和評估板上所需的電壓電平，可以使用單次降壓法直接從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），則可以考慮采用兩次降壓法：首先生成一個中間電壓軌（例如5.0 V或3.3 V），然后使用中間電壓軌為后續(xù)穩(wěn)壓器供電以產(chǎn)生更低電壓，如圖3所示。
圖3.兩次降壓法與單次降壓法
拓撲的選擇將影響效率、各轉(zhuǎn)換器的開關頻率和解決方案總體尺寸等參數(shù)。在每個新的實施方案中都需要仔細考慮這些因素，以優(yōu)化每個新產(chǎn)品設計的電源架構(gòu)。此外，可能還需要適當?shù)妮斎氡Ｗo和濾波電路。
CertusPro-NX評估板的兩種電源解決方案在設計時考慮了不同的優(yōu)先事項，二者均使用前文所述的單次降壓法。第一種是分立解決方案，它使用單體式DC-DC穩(wěn)壓器，提供外圍電路，并允許用戶對針對每個電源軌單獨優(yōu)化器件以獲得最優(yōu)性能。第二種是采用ADI μModule技術的全集成解決方案，盡最大可能為應用提供更緊湊、更簡單的布局方案，同時還能提供出色的電源方案性能。
LTPowerPlanner?是一種支持優(yōu)化系統(tǒng)級電源樹的工具，其中提供了CertusPro-NX評估板的新型電源解決方案架構(gòu)。LTpowerCAD?可用來為每個選定的DC-DC IC提供詳細的電路方案，包括根據(jù)輸入的IC使用情況和周圍無源元件估算電路性能。這些程序是適用于Windows的工具套件的一部分，可從LTpowerCAD網(wǎng)頁下載。此網(wǎng)頁還提供了入門文檔、培訓材料和視頻。
分立電源解決方案
分立電源解決方案支持設計人員針對特定解決方案優(yōu)化外部電路元件，從而為每個電壓軌提供更優(yōu)的獨立DC-DC穩(wěn)壓器性能。與現(xiàn)有電源解決方案相比，新推薦的分立電源解決方案實現(xiàn)了顯著的性能改進。所有DC-DC穩(wěn)壓器都使用同步內(nèi)部開關來更大限度地提高效率，同時仍保持緊湊的設計和出色的EMI性能。圖4為CertusPro-NX評估板的分立解決方案電源樹。
開關穩(wěn)壓器
LT8653S
LT8653S 采用第二代Silent Switcher?架構(gòu)，更大限度地降低了EMI輻射，同時可在高開關頻率下實現(xiàn)高效率。 具有寬VIN范圍和雙通道2 A輸出，是一款理想的候選器件。
ADP2387
需要兩個電壓分別為1.8 V和3.3 V的電壓軌，以提供高于LT8653S所能提供的輸出電流，具體分別為4 A和3 A。根據(jù)這些要求，ADP2387 被確定為該應用的理想候選器件。
線性穩(wěn)壓器
MAX38903C
MAX38903C在CertusPro-NX評估板的1 V電壓軌上用作后置穩(wěn)壓器，以抑制高噪聲。該器件是一款低噪聲線性穩(wěn)壓器，可提供高達1 A的輸出電流，在10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)的輸出噪聲僅為5.5 μV rms。MAX38903C具有低輸出噪聲和高噪聲抑制特性，是用于CertusPro-NX評估板電源解決方案的明智選擇。
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，輸出電流高達1 A，采用3 mm × 3 mm裸露焊盤LFCSP封裝。 因此，解決方案非常緊湊，并能為輸出電流需高達1 A的小巧外形應用提供出色的熱性能，因而也十分適用于CertusPro-NX評估板的電源解決方案。
μModule電源解決方案
另一方面，利用ADI公司的μModule技術，可以進一步縮小并簡化模塊相關解決方案，并且還不會犧牲性能質(zhì)量。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，在緊湊的表面貼裝BGA或LGA封裝中集成了DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補償元件以及電感。μModule電源產(chǎn)品支持降壓、降壓-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為使用μModule器件的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。下一級由線性穩(wěn)壓器組成。μModule設計（圖5）和分立解決方案（圖4）選擇了相同的線性穩(wěn)壓器。
圖4.使用LTPowerPlanner工具建模的分立解決方案電源樹
圖5. μModule解決方案電源樹
圖6.分立解決方案的VDD_1V8和VCC_3V3電壓軌原理圖
開關穩(wěn)壓器模塊
LTM8078
LTM8078 是一款40 VIN、雙通道1.4 A/單通道2.8 A、降壓型Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器。 Silent Switcher架構(gòu)可進一步降低EMI，同時在高達3 MHz的頻率下實現(xiàn)高效率運行。封裝中內(nèi)置控制器、功率開關、電感和其他相關元件。器件的輸入電壓工作范圍較寬，開關頻率范圍為300 kHz至3 MHz（由單個電阻設置），只需使用輸入和輸出濾波器體電容就可以完成設計。因此，該器件也是CertusPro-NX評估板電源解決方案的理想選擇。
LTM4625
LTM4625 是一款完整的5 A降壓型開關模式μModule穩(wěn)壓器，采用小型6.25 mm × 6.25 mm × 5.01 mm BGA封裝。 其高效率設計提供高達5 A的連續(xù)輸出電流。僅需要大容量輸入和輸出電容。該器件提供高開關頻率和電流模式控制，可以對線路和負載變化作出快速瞬態(tài)響應，而不會降低穩(wěn)定性。
LTM8078和LTM4625 μModule開關穩(wěn)壓器提供了更簡單的優(yōu)質(zhì)解決方案，消除了復雜性并避免了空間限制。
CertusPro-NX評估板電源解決方案設計詳細說明
分立解決方案設計
根據(jù)CertusPro-NX FPGA 數(shù)據(jù)手冊所述的推薦工作條件，電源電壓應在典型值的±5%以內(nèi)。在設計中，由反饋電阻和穩(wěn)壓器VREF電壓的容差帶來的直流輸出誤差、輸出電壓紋波和負載瞬態(tài)響應已經(jīng)考慮在該5%的容差中。在存在這些誤差的情況下，該器件仍處于FPGA推薦工作條件的5%允許值范圍內(nèi)。
可從ADI客戶辦公室解決方案部門獲取所有電壓軌的完整數(shù)據(jù)，但表2中選定的一些電壓軌顯示了1.35 A LT8653S和3 A/4 A ADP2387輸出的典型代表性能。
表2.分立設計效率和紋波性能數(shù)據(jù)
電壓軌1：VDD_1V8
此電壓軌需要1.8 V輸出電壓，并且應能提供高達1.35 A的輸出電流。使用LT8653S的一個通道可以滿足這一要求。設計中嚴格遵循了應用輸出負載電流的±5%總輸出電壓誤差，以確保符合推薦的工作條件。
為實現(xiàn)高直流精度，使用了內(nèi)部基準電壓源。該器件的通道配置為1.8 V反饋基準電壓，從而消除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。
在評估電壓軌以確保輸出處于推薦工作條件范圍內(nèi)的過程中，以非常快速且非常高的負載階躍作為激勵來評估負載瞬態(tài)響應。階躍負載設置為0 A至1 A階躍，擺率為10 A/μs，脈沖持續(xù)時間為150 μs。圖7顯示了VDD_1V8電壓軌的瞬態(tài)負載響應。上方波形CH2顯示輸出響應，下方波形CH4顯示輸出負載電流。
表4.VCC_3V3電壓軌瞬態(tài)負載數(shù)據(jù)
圖7.VDD_1V8瞬態(tài)負載響應
表3.VDD_1V8電壓軌瞬態(tài)負載數(shù)據(jù)
從結(jié)果來看，綜合考慮負載瞬態(tài)期間的過沖、欠沖以及輸出紋波后，電壓仍處于±5%的推薦工作條件內(nèi)。
電壓軌2：VCC_3V3
VCC_3V3電壓軌與VDD_1V8一起使用LT8653S的第二個通道。就像VDD_1V8一樣，VCC_3V3電壓軌必須能夠提供1.35 A輸出電流，作為CertusPro-NX FPGA的VCCIO引腳上的電源。還有一個固定3.3 V輸出的IC選項，該選項帶有一個內(nèi)部微調(diào)反饋分壓器，因此可實現(xiàn)高直流精度。圖6中還顯示了原理圖和電路元件值，圖8中顯示了瞬態(tài)響應。上方波形CH2顯示輸出響應，下方波形CH4顯示輸出負載電流。表4顯示了瞬態(tài)負載響應結(jié)果，綜合考慮過沖、欠沖以及輸出紋波情況后，電壓仍保持在±5%的推薦工作條件內(nèi)。
圖8.VCC_3V3電壓軌負載瞬態(tài)響應
電壓軌7：VCC_ADJ
VCC_ADJ電壓軌需要1.8 V輸出電壓，并且應能向VCCIO和FMC連接器提供最高4 A的輸出電流。設計中嚴格遵循了應用輸出負載電流的±3%總輸出電壓誤差，以確保符合推薦的工作條件。
為實現(xiàn)高直流精度，使用了內(nèi)部基準電壓源。該器件的誤差放大器配置1.8 V反饋基準電壓，以補償電阻值和容差。
使用高擺率電流階躍評估電壓軌瞬態(tài)響應，以確保運行期間的輸出電壓始終保持在容差限值范圍內(nèi)。階躍負載設置為0 A至1 A階躍，擺率為10 A/μs，脈沖持續(xù)時間為150 μs。圖9顯示了VDD_1V8電壓軌的瞬態(tài)負載響應。上方波形CH2顯示輸出響應，下方波形CH4顯示輸出負載電流。
圖9.VCC_ADJ瞬態(tài)負載響應
表5.VDD_1V8電壓軌瞬態(tài)負載數(shù)據(jù)
從結(jié)果來看，綜合考慮負載瞬態(tài)期間的過沖、欠沖以及輸出紋波后，電壓仍處于±5%的推薦工作條件內(nèi)，優(yōu)于目標值3%。
電壓軌8：VDD_3V3
VDD_3V3電壓軌必須能夠提供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)響應如圖11所示。上方波形CH2顯示輸出響應，下方波形CH4顯示輸出負載電流。表6顯示了瞬態(tài)負載響應結(jié)果，綜合考慮過沖、欠沖以及輸出紋波情況后，電壓仍保持在±3%的推薦工作條件內(nèi)。
圖10.VDD_3V3電壓軌負載瞬態(tài)響應
表6.VDD_3V3電壓軌瞬態(tài)負載數(shù)據(jù)
μModule解決方案設計
與上文中分立設計的相同規(guī)范也適用于μModule建議方案，因此這里不再詳細討論。μModule解決方案通過犧牲一些性能來換取更小的布局尺寸。下表顯示了相同的樣本點以做比較。
可從ADI公司客戶辦公室解決方案部門獲取所有電壓軌的完整數(shù)據(jù)，表7中選定的一些電壓軌顯示了1.35 A LTM8078和3 A/4 A LTM4625輸出的典型代表性能。
表7. μModule設計效率和紋波性能數(shù)據(jù)
電壓軌1：VDD_1V8
通道1電壓軌使用0.1%電阻來確保符合應用的直流和瞬態(tài)總?cè)莶钤Ａ恳蟆D11顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數(shù)據(jù)，表8匯總了所捕獲的游標數(shù)據(jù)。
圖11.VDD_1V8瞬態(tài)負載響應
表8.VDD_1V8電壓軌瞬態(tài)負載數(shù)據(jù)
電壓軌2：VCC_3V3
VCC_3V3電壓軌（LTM8078的通道2）也使用了0.1%電阻來確保符合應用的電壓裕量要求。圖12顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數(shù)據(jù)，表9匯總了所捕獲的游標數(shù)據(jù)。
圖12.VCC_3V3瞬態(tài)負載響應
表9.VCC_3V3電壓軌瞬態(tài)負載數(shù)據(jù)
電壓軌7：VCC_ADJ
圖13.VCC_ADJ瞬態(tài)負載響應
LTM4625通道1電壓軌使用標準1%電阻來確保符合應用的直流要求和瞬態(tài)總?cè)莶钤Ａ恳蟆D13顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數(shù)據(jù)，表10匯總了所捕獲的游標數(shù)據(jù)。
表10.VCC_ADJ電壓軌瞬態(tài)負載數(shù)據(jù)
電壓軌8：VDD_3V3
VDD_3V3電壓軌（LTM3625的通道2）也使用了1%電阻來確保符合應用的電壓裕量要求。圖14顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數(shù)據(jù)，表11匯總了所捕獲的游標數(shù)據(jù)。
圖14.1VDD_3V3瞬態(tài)負載響應
表11.VDD_3V3電壓軌瞬態(tài)負載數(shù)據(jù)
結(jié)論
在設計健全的電源架構(gòu)時，需要謹慎平衡尺寸、性能和成本這三方面要素。任何的CertusPro-NX平臺都可以從兩種設計方案中挑選到更適合的選項。如前所述，兩種設計方案中所有電壓軌的效率、紋波和瞬態(tài)等完整數(shù)據(jù)均可應要求提供。結(jié)果表明，分立式設計或模塊式設計方法都能夠滿足CertusPro-NX對性能參數(shù)的要求，并且還留有余量。任何用于未來的設計都應該采用更適合目標市場的方法。本文對數(shù)據(jù)集和設計理念進行了仔細分析，作者希望能由此幫助設計人員更有把握地實現(xiàn)Lattice FPGA電源集成，也希望設計工程師、系統(tǒng)架構(gòu)師和項目經(jīng)理等相關人員都可以對與電源器件和拓撲選擇相關的權衡產(chǎn)生共同的理解。無論具體設計規(guī)范要求優(yōu)先考慮什么，ADI都可以針對特定標準，定制出更合適的電源解決方案。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
James R. Staley是ADI公司的工業(yè)電源系統(tǒng)工程經(jīng)理。他畢業(yè)于北卡羅來納州立大學，為Eta Kappa Nu榮譽學會會員，擁有納米技術電子工程學士學位，已在半導體行業(yè)工作超過20年。他曾在凌力爾特公司和ADI公司擔任應用工程、銷售應用工程和系統(tǒng)工程等多個職位。他目前主要負責工業(yè)和精密儀器電源系統(tǒng)相關工作。James及其家人居住在北卡羅來納州區(qū)羅利市。
Matthias Bust于2007年加入ADI公司，目前在客戶辦公室解決方案團隊中擔任電源產(chǎn)品專家。Matthias此前也曾是ADI的汽車電源產(chǎn)品系統(tǒng)經(jīng)理，還曾作為現(xiàn)場應用工程師為所有市場領域的客戶提供過服務。他擁有超過30年的行業(yè)經(jīng)驗，曾在電信和激光行業(yè)的硬件/軟件設計、系統(tǒng)工程和供應鏈管理領域擔任過多個職位Matthias畢業(yè)于德國伊爾梅瑙工業(yè)大學，擁有電子工程和信息技術專業(yè)的畢業(yè)證書。
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