如何為L(cháng)attice CertusPro-NX FPGA評估板優(yōu)先考慮效率和成本

簡(jiǎn)介

Lattice Semiconductor CertusPro-NX評估板旨在方便用戶(hù)研究和試驗CertusPro-NX FPGA的特性。其特性可以幫助用戶(hù)快速制作原型和測試特定設計。該評估系統包括了片上穩壓器，用于為FPGA提供電源選項。大多數的電源軌都可以根據用戶(hù)的喜好進(jìn)行選擇。

本文旨在為L(cháng)attice Semiconductor CertusPro-NX FPGA評估板的每個(gè)電源選項提供更新的電源建議?？紤]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(jìn)、性能更優(yōu)的電源產(chǎn)品。通常，評估板會(huì )設計能夠展示FPGA完整特性集的電源架構。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。對于那些針對小物理尺寸電路板進(jìn)行優(yōu)化的縮小版實(shí)現方案來(lái)說(shuō)，這種電源架構可能太大了。哪種解決方案更適合特定的CertusPro-NX應用，將取決于系統架構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(zhuān)用電源IC和外圍電源器件組成，這類(lèi)方案側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中，ADI公司的μModule解決方案可帶來(lái)常規布局無(wú)法實(shí)現的無(wú)與倫比的能量密度，同時(shí)仍具有超越現有CertusPro-NX參考設計的性能優(yōu)勢。此參考設計在這方面具有專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢，支持系統架構師根據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。架構師可以通過(guò)仔細研究?jì)蓚€(gè)版本的數據，慎重權衡相關(guān)尺寸、性能和成本，為更大程度地符合項目工程規范而做出更合適的選擇。

CertusPro-NX評估板電源架構

CertusPro-NX評估板的大多數片上穩壓器由外部12 V電源供電。FPGA的每個(gè)VCCIO引腳都有默認電源選項，用戶(hù)也可以根據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(gè)電壓軌均由各種片上穩壓器產(chǎn)生。主電源通過(guò)外部12 V直流電源提供，這在CertusPro-NX評估板 用戶(hù)指南的第1.4節中進(jìn)行了討論。圖2顯示了由外部12 V直流電源供電的片上穩壓器所產(chǎn)生的不同電壓輸出軌。LDO穩壓器也用于后調節，以產(chǎn)生較低的電壓，同時(shí)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

穩壓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(hù)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(gè)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穩壓器供電以產(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、各轉換器的開(kāi)關(guān)頻率和解決方案總體尺寸等參數。在每個(gè)新的實(shí)施方案中都需要仔細考慮這些因素，以?xún)?yōu)化每個(gè)新產(chǎn)品設計的電源架構。此外，可能還需要適當的輸入保護和濾波電路。

CertusPro-NX評估板的兩種電源解決方案在設計時(shí)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穩壓器，提供外圍電路，并允許用戶(hù)對針對每個(gè)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(shù)的全集成解決方案，盡最大可能為應用提供更緊湊、更簡(jiǎn)單的布局方案，同時(shí)還能提供出色的電源方案性能。

LTPowerPlanner^?是一種支持優(yōu)化系統級電源樹(shù)的工具，其中提供了CertusPro-NX評估板的新型電源解決方案架構。LTpowerCAD^?可用來(lái)為每個(gè)選定的DC-DC IC提供詳細的電路方案，包括根據輸入的IC使用情況和周?chē)鸁o(wú)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(yè)下載。此網(wǎng)頁(yè)還提供了入門(mén)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(gè)電壓軌提供更優(yōu)的獨立DC-DC穩壓器性能。與現有電源解決方案相比，新推薦的分立電源解決方案實(shí)現了顯著(zhù)的性能改進(jìn)。所有DC-DC穩壓器都使用同步內部開(kāi)關(guān)來(lái)更大限度地提高效率，同時(shí)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(shù)。

開(kāi)關(guān)穩壓器

LT8653S

LT8653S 采用第二代Silent Switcher?架構，更大限度地降低了EMI輻射，同時(shí)可在高開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現高效率。 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(gè)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。根據這些要求，ADP2387 被確定為該應用的理想候選器件。

線(xiàn)性穩壓器

MAX38903C

MAX38903C在CertusPro-NX評估板的1 V電壓軌上用作后置穩壓器，以抑制高噪聲。該器件是一款低噪聲線(xiàn)性穩壓器，可提供高達1 A的輸出電流，在10 Hz至100 kHz范圍內的輸出噪聲僅為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(xiàn)性穩壓器，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(pán)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(shù)，可以進(jìn)一步縮小并簡(jiǎn)化模塊相關(guān)解決方案，并且還不會(huì )犧牲性能質(zhì)量。ADI公司的μModule穩壓器和DC-DC電源產(chǎn)品是完整的系統級封裝(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、隔離式轉換器和LED驅動(dòng)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(shù)。外部12 V輸入電源之后的第一級是μModule DC-DC穩壓器陣列。下一級由線(xiàn)性穩壓器組成。μModule設計（圖5）和分立解決方案（圖4）選擇了相同的線(xiàn)性穩壓器。

圖4 使用LTPowerPlanner工具建模的分立解決方案電源樹(shù)

圖5 μModule解決方案電源樹(shù)

圖6 分立解決方案的VDD_1V8和VCC_3V3電壓軌原理圖

開(kāi)關(guān)穩壓器模塊

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穩壓器。 Silent Switcher架構可進(jìn)一步降低EMI，同時(shí)在高達3 MHz的頻率下實(shí)現高效率運行。封裝中內置控制器、功率開(kāi)關(guān)、電感和其他相關(guān)元件。器件的輸入電壓工作范圍較寬，開(kāi)關(guān)頻率范圍為300 kHz至3 MHz（由單個(gè)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(kāi)關(guān)模式μModule穩壓器，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的連續輸出電流。僅需要大容量輸入和輸出電容。該器件提供高開(kāi)關(guān)頻率和電流模式控制，可以對線(xiàn)路和負載變化作出快速瞬態(tài)響應，而不會(huì )降低穩定性。

LTM8078和LTM4625 μModule開(kāi)關(guān)穩壓器提供了更簡(jiǎn)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(shuō)明

分立解決方案設計

根據CertusPro-NX FPGA 數據手冊所述的推薦工作條件，電源電壓應在典型值的±5%以?xún)?。在設計中，由反饋電阻和穩壓器VREF電壓的容差帶來(lái)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。

可從ADI客戶(hù)辦公室解決方案部門(mén)獲取所有電壓軌的完整數據，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據

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(gè)通道可以滿(mǎn)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(shí)現高直流精度，使用了內部基準電壓源。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的過(guò)程中，以非?？焖偾曳浅８叩呢撦d階躍作為激勵來(lái)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，脈沖持續時(shí)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)負載數據

圖7 VDD_1V8瞬態(tài)負載響應

表3 VDD_1V8電壓軌瞬態(tài)負載數據

參數	電壓(V)	百分比(%)	目標限值(%)
過(guò)沖	0.057	3.2	4.0
欠沖	0.055	3.2	4.0

從結果來(lái)看，綜合考慮負載瞬態(tài)期間的過(guò)沖、欠沖以及輸出紋波后，電壓仍處于±5%的推薦工作條件內。

電壓軌2：VCC_3V3

VCC_3V3電壓軌與VDD_1V8一起使用LT8653S的第二個(gè)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(gè)固定3.3 V輸出的IC選項，該選項帶有一個(gè)內部微調反饋分壓器，因此可實(shí)現高直流精度。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)負載響應結果，綜合考慮過(guò)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。

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(shí)現高直流精度，使用了內部基準電壓源。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。階躍負載設置為0 A至1 A階躍，擺率為10 A/μs，脈沖持續時(shí)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)負載數據

從結果來(lái)看，綜合考慮負載瞬態(tài)期間的過(guò)沖、欠沖以及輸出紋波后，電壓仍處于±5%的推薦工作條件內，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)負載響應結果，綜合考慮過(guò)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。

圖10 VDD_3V3電壓軌負載瞬態(tài)響應

表6 VDD_3V3電壓軌瞬態(tài)負載數據

μModule解決方案設計

與上文中分立設計的相同規范也適用于μModule建議方案，因此這里不再詳細討論。μModule解決方案通過(guò)犧牲一些性能來(lái)?yè)Q取更小的布局尺寸。下表顯示了相同的樣本點(diǎn)以做比較。

可從ADI公司客戶(hù)辦公室解決方案部門(mén)獲取所有電壓軌的完整數據，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據

電壓軌1：VDD_1V8

通道1電壓軌使用0.1%電阻來(lái)確保符合應用的直流和瞬態(tài)總容差裕量要求。圖11顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數據，表8匯總了所捕獲的游標數據。

圖11 VDD_1V8瞬態(tài)負載響應

表8 VDD_1V8電壓軌瞬態(tài)負載數據

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(lái)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據，表9匯總了所捕獲的游標數據。

圖12 VCC_3V3瞬態(tài)負載響應

表9 VCC_3V3電壓軌瞬態(tài)負載數據

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(lái)確保符合應用的直流要求和瞬態(tài)總容差裕量要求。圖13顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數據，表10匯總了所捕獲的游標數據。

表10 VCC_ADJ電壓軌瞬態(tài)負載數據

電壓軌8：VDD_3V3

VDD_3V3電壓軌（LTM3625的通道2）也使用了1%電阻來(lái)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據，表11匯總了所捕獲的游標數據。

圖14 1VDD_3V3瞬態(tài)負載響應

表11 VDD_3V3電壓軌瞬態(tài)負載數據

結論

在設計健全的電源架構時(shí)，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)等完整數據均可應要求提供。結果表明，分立式設計或模塊式設計方法都能夠滿(mǎn)足CertusPro-NX對性能參數的要求，并且還留有余量。任何用于未來(lái)的設計都應該采用更適合目標市場(chǎng)的方法。本文對數據集和設計理念進(jìn)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(shí)現Lattice FPGA電源集成，也希望設計工程師、系統架構師和項目經(jīng)理等相關(guān)人員都可以對與電源器件和拓撲選擇相關(guān)的權衡產(chǎn)生共同的理解。無(wú)論具體設計規范要求優(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(guān)于作者

James R. Staley是ADI公司的工業(yè)電源系統工程經(jīng)理。他畢業(yè)于北卡羅來(lái)納州立大學(xué)，為Eta Kappa Nu榮譽(yù)學(xué)會(huì )會(huì )員，擁有納米技術(shù)電子工程學(xué)士學(xué)位，已在半導體行業(yè)工作超過(guò)20年。他曾在凌力爾特公司和ADI公司擔任應用工程、銷(xiāo)售應用工程和系統工程等多個(gè)職位。他目前主要負責工業(yè)和精密儀器電源系統相關(guān)工作。James及其家人居住在北卡羅來(lái)納州區羅利市。

Matthias Bust于2007年加入ADI公司，目前在客戶(hù)辦公室解決方案團隊中擔任電源產(chǎn)品專(zhuān)家。Matthias此前也曾是ADI的汽車(chē)電源產(chǎn)品系統經(jīng)理，還曾作為現場(chǎng)應用工程師為所有市場(chǎng)領(lǐng)域的客戶(hù)提供過(guò)服務(wù)。他擁有超過(guò)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、系統工程和供應鏈管理領(lǐng)域擔任過(guò)多個(gè)職位Matthias畢業(yè)于德國伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)，擁有電子工程和信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)證書(shū)。