滿(mǎn)足FPGA電源設計需求的DC/DC轉換器

　　需要大量數字處理的電子系統常常利用FPGA或CPLD等現場(chǎng)可編程器件實(shí)現，而不是利用定制專(zhuān)用集成電路(ASIC)。雖然定制ASIC可能比現場(chǎng)可編程器件具有成本優(yōu)勢，但現場(chǎng)可編程器件具有即時(shí)制造周轉、低啟動(dòng)成本以及設計速度和方便性等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)已使FPGA和CPLD成為實(shí)現以太網(wǎng)交換機和路由器、存儲局域網(wǎng)設備和多媒體內容傳輸系統等復雜數字系統的首選器件。

　　利用FPGA或CPLD進(jìn)行電路設計的流程由以下幾個(gè)普通步驟組成：設計入口、設計確認、設計匯編和器件編程。設計入口階段由捕獲設計組成，不是通過(guò)利用電腦輔助設計工具創(chuàng )建圖形化原理圖，就是通過(guò)利用Verilog或VHDL等硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述電路。在捕獲設計之后，通過(guò)使用電路模擬來(lái)檢驗正確的功能性和性能加以驗證。如果電路沒(méi)有達到要求性能，則工程師師就回到設計入口階段對設計加以調整，然后重復設計驗證階段。設計入口和設計驗證步驟可能反復多次，才能使設計能夠滿(mǎn)足全部功能和性能要求。在獲得令人滿(mǎn)意的設計之后，工程師使用FPGA或CPLD器件供應商提供的軟件對設計進(jìn)行“匯編”，用于對實(shí)現設計的器件進(jìn)行配置。編譯形成的文檔被下載到FPGA或CPLD，并給內部邏輯器件編程使之具有正確的功能性。

為現場(chǎng)可編程器件供電

　　通常利用三個(gè)基本電源軌對FPGA供電：核心電源軌、I/O電源軌和輔助電源軌。其中每個(gè)電源軌都具有不同的負載電源要求。核心電源軌VCCINT，向器件的內部邏輯供電，通常具有最嚴格的電流要求。對上幾代的FPGA，VCCINT上面的電壓可能高達3.3V，而目前的器件則低至1.2V。I/O電源軌 VCCIO為FPGA的輸入/輸出模塊供電。該電源軌上的電壓可能是1.5V、1.8V、2.5V或3.3V，取決于所采用的I/O標準。具體選擇什么 I/O標準，受FPGA將與之通訊的器件左右。輔助電源軌VCCAUX用于為FPGA上面的數字時(shí)鐘管理器和JTAG I/O供電，電壓通常是2.5V或3.3V。

可變的功率要求

　　通過(guò)重復上述的設計匯編和下載步驟，工程師可以隨時(shí)改變FPGA或CPLD的編程和配置。FPGA根據新設計的要求進(jìn)行重新配置沒(méi)有次數限制。不需改變電路板上的線(xiàn)跡、不需要更換元件、不需要重新焊接，因此可以非常迅速及方便地解決故障和進(jìn)行調整。另外，可以為給定的設計添加功能和特點(diǎn)，而對于物理設計并無(wú)影響。這使現場(chǎng)可編程器件獲得巨大優(yōu)勢，可以作為復雜的數字系統的實(shí)現手段。

　　但是，獲得這樣的靈活性也需要付出代價(jià)。FPGA的電源要求，具體而言就是它要消耗的電源電流，與設計的復雜程度成正比。對FPGA進(jìn)行重新配置，使其具有新的功能，將改變對為其供電的電源系統的要求。FPGA被使用的程度越高，它需要的電流就越大。電流需求也會(huì )隨著(zhù)時(shí)鐘頻率的上升而增加，因此FPGA速度越快，它消耗的功率越大。因此，FPGA功能的改變將決定電源設計的改變。

單片雙通道降壓轉換器

　　為了滿(mǎn)足對于緊湊和靈活的電源系統的需求，以及為數字設計者提供可以迅速設計和重新配置FPGA電源的解決方案，Intersil推出了ISL65426。 ISL65426是一種具有雙路輸出的單片同步降壓轉換器，能夠提供高達6A的總體負載電流，效率高達95%。兩個(gè)輸出電壓是邏輯可調節的，或者是電阻可調節的，用戶(hù)可對每個(gè)輸出通道的負載電流進(jìn)行配置。因此，如果FPGA/CPLD功率需求在設計過(guò)程中發(fā)生變化，只需為每個(gè)通道重新指定負載電流就能滿(mǎn)足新的要求。

　　這種完全集成的同步降壓DC/DC轉換器消除了選擇功率MOSFET、確定環(huán)路補償參數等方面的工程工作，并簡(jiǎn)化了電感和電容的選擇過(guò)程?？傮w元件數量減少，因為內部高階MOSFET是利用PMOS器件實(shí)現的，而不是典型的NMOS器件，從而不需要自舉電容。內部數字軟啟動(dòng)能力和內部環(huán)路補償消除了外部軟啟動(dòng)電容器和外部RC補償網(wǎng)絡(luò )。熱增強型QFN封裝，1.1MHz的高工作頻率和BOM元件數量減少，成就了面向 FPGA和VCCINT和VCCIO電源軌的緊湊型電源解決方案(圖1)。

圖1：ISL65426的功能性結構圖 本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/258919.htm

可配置負載電流能力

　　ISL65426 使用了由用戶(hù)可配置電源模塊組成的獨特架構，有利于快速設計電源系統。該電源模塊架構允許劃分六個(gè)1A模塊劃，具有四種電源配置選擇。每個(gè)同步轉換器通道與一個(gè)主電源模塊相配。剩余的四個(gè)電源模塊是從屬模塊，用戶(hù)可以把它們分配給任何一個(gè)主轉換器通道，如圖2所示。

圖2：ISL65426電源模塊架構

　　利用這些電源模塊，可以指定ISL65426的每個(gè)通道的負載電流能力。芯片包含兩個(gè)邏輯引腳，即ISET1和ISET2，根據下表為每個(gè)通道安排負載電流分配：

　　每個(gè)電源模塊都有自己的電源連接——PVIN，以及電感連接——LX。ISL65426可以用來(lái)調節來(lái)自一個(gè)或兩個(gè)輸入電源的輸出電壓。隨著(zhù)給定電源設計對負載電流的要求發(fā)生變化，可以以最小的努力來(lái)重新調整設計。因為ISL65426包含內部電源開(kāi)關(guān)，而且是內部補償，因此通道之間的負載電流分配的變化通過(guò)改變ISET1和ISET2的邏輯電平，以及到芯片的PVIN和LX連接就能實(shí)現。圖3和圖4所示為一些典型的配置。

圖3：?jiǎn)坞娫?A/3A輸出電流配置中的ISL65426

圖4：?jiǎn)坞娫?A/2A輸出電流配置中的ISL65426

靈活的輸出電壓選擇

　　ISL65426 能夠在不使用外部反饋電阻的情況下規劃每個(gè)通道的輸出電壓。V1SET1、V1SET2、V2SET1和V2SET2等四個(gè)邏輯引腳從一個(gè)通用值清單中為每個(gè)通道選擇輸出電壓。實(shí)質(zhì)上是一個(gè)2位VID輸入，為重新設計和重定目標提供了進(jìn)一步的便利，因為它允許通過(guò)邏輯，而不是通過(guò)對電源板及其元件進(jìn)行物理改變來(lái)調整輸出電壓，從而可以迅速和可靠地實(shí)現改變。另外，這個(gè)2位VID輸入允許對這些系統中的ISL65426轉換器通道的輸出電壓進(jìn)行數字化控制，而且在這些系統中需要這樣的控制。表1列出了輸出電壓選擇。

表1：輸出電流配置

表2：輸出電壓配置

　　不必使用反饋電阻，簡(jiǎn)化了設計，減少了元件數量并提高了系統的總體精度。但這種輸出電壓選擇的方便性并未犧牲設計靈活性，因為ISL65426保留了設置輸出電壓的傳統電阻分壓器方法。芯片的內部基準電壓是0.6V，在使用5V的輸出電源時(shí)，通過(guò)電阻反饋可以把每個(gè)通道的輸出電壓設定在0.6~4V之間的任意值。

集成故障保護

　　ISL65426具備過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和過(guò)溫保護機制，以便把全部故障監控和保護功能都完全集成到一個(gè)芯片之中，而且不需要使用外部元件。在過(guò)壓情況下(輸出電壓高于過(guò)壓水平——基準電壓的115%)，ISL65426將主動(dòng)地努力調節輸出電壓，使之下降到規定值。在欠壓保護情況下，對反饋電壓進(jìn)行監控，并與欠壓水平(基準電壓的85%)進(jìn)行比較。如果在一個(gè)轉換器通道上檢測到欠壓情形，則一個(gè)4位計數器就累加一次。如果在同一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中探測到兩個(gè)轉換器通道都出現了欠壓情形，則該4位計數器就累加兩次。每當轉換器通道上探測到欠壓情形，這個(gè)計數器就繼續累加。一旦計數器溢出，欠壓保護邏輯就把兩個(gè)轉換器都切斷。

　　過(guò)流保護電路也采用了一個(gè)4位計數器記錄過(guò)流事件。對每個(gè)電源模塊中的電流進(jìn)行測量并與和所用的具體電源模塊配置相適應的過(guò)流水平加以比較。如果測得的電流超過(guò)了過(guò)流閾值，一個(gè)4位加/減計數器就加1。如果測得的電流在計數器溢出之前降至過(guò)流閾值下方，則計數器重置。如果兩個(gè)轉換器通道都在同一開(kāi)關(guān)周期內出現過(guò)流現象，則計數器就加2。一旦計數器溢出，兩個(gè)轉換器通道就被切斷。如果在同一個(gè)周期中測得的兩個(gè)轉換器通道的電流都降至了過(guò)流水平的下方，則計數器重置。

　　最后，在過(guò)溫保護方面，一個(gè)內部溫度傳感器連續監控ISL65426的節溫，如果溫度超過(guò)150°C，傳感器就命令I(lǐng)SL65426關(guān)閉兩個(gè)傳感器通道和栓鎖(latch off)。

電壓監控與電源時(shí)序控制

　　ISL65426 的每個(gè)轉換器通道都具有自己的使能信號和電源良好信號(power-good signal)。這樣就可以實(shí)現對每個(gè)輸出電壓的單獨控制和監控，使電壓追蹤和電源時(shí)序監控成為可能。有兩個(gè)使能信號——EN1和EN2，用于啟用或禁用每個(gè)通道。還有一個(gè)系統使能信號EN，可以用于同時(shí)啟動(dòng)或關(guān)閉兩個(gè)通道。當接收到使能信號而且通道被啟用時(shí)，一個(gè)數字軟啟動(dòng)功能通過(guò)以20ms的固定間隔來(lái)逐漸提高基準電壓來(lái)提升輸出電壓。對于電壓監控，每個(gè)轉換器通道都有自己的電源良好信號，當某個(gè)通道的輸出電壓超出調節限度時(shí)可以被確定。對于 ISL65426的兩個(gè)輸出電壓的時(shí)序測定是通過(guò)把一個(gè)通道的電源良好信號連接到另一個(gè)通道的使能輸入來(lái)實(shí)現的。在這個(gè)配置中，第二個(gè)輸出當第一個(gè)輸出處于調節過(guò)程中時(shí)不會(huì )開(kāi)始軟啟動(dòng)周期，如圖5所示。

圖5：ISL65426的電源時(shí)序控制

完整的FPGA電源解決方案

　　由于配置方便、具有集成的電源器件、效率高、具有集成的故障監控和保護、支持使用陶瓷電容器和RoHS兼容，ISL65426代表一種完整的和環(huán)境友好的電源解決方案。在總體FPGA或CPLD系統實(shí)施過(guò)程中，可以快速、方便及可靠地實(shí)施設計變化，從而可以縮短設計周期和減少設計反復。

作者：Zaid Salman　技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

　　　Sarika Arora 　產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理