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

發(fā)布時間:2023-09-28 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【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(quán)衡相關(guān)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。


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圖1.CertusPro-NX FPGA VCCIO引腳電壓選項


表1.VCCCIO電源選項

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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。


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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。


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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(guān)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(shù)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(guān)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(guān)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(guān)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(shù),可以進一步縮小并簡化模塊相關(guān)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。


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圖4.使用LTPowerPlanner工具建模的分立解決方案電源樹


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圖5. μModule解決方案電源樹


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圖6.分立解決方案的VDD_1V8和VCC_3V3電壓軌原理圖


開關(guān)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(guān)、電感和其他相關(guān)元件。器件的輸入電壓工作范圍較寬,開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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)

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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)

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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)

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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)。


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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。


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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)

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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)。


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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)

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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)

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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?。圖11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)。


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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)

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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)。


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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)

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電壓軌7:VCC_ADJ


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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?。圖13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)

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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)。


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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)

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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(guān)人員都可以對與電源器件和拓撲選擇相關(guān)的權(quán)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(guān)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(shù)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(guān)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(shù)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(guān)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(shù)專業(yè)的畢業(yè)證書。



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