FPGA應用供電設計一點通

　　FPGA被廣泛應用于各種產(chǎn)品，具有開發(fā)時間短、成本效益高以及靈活的現(xiàn)場重配置與升級等諸多優(yōu)點。很多新型FPGA利用先進的技術實現(xiàn)低功耗和高性能。他們通過新的制造工藝降低了內核電壓，從而擴大電源電壓范圍并提高電流量。很多FPGA對每個電源軌的供電需求不盡相同，而這些不同的電源有不同的電壓輸出和時序要求以及不同的噪聲靈敏度要求。電源模塊是滿足這些供電需求的理想選擇。

　　一個電源模塊包括控制器、FET、電感器和大部分無源器件，而這些器件都在一個封裝內，僅需外部配備輸入和輸出電容器即可完成系統(tǒng)設計。數(shù)字電源模塊結合了電源模塊和數(shù)字電源的優(yōu)點，使用數(shù)字電源模塊進行設計可縮短開發(fā)時間并快速優(yōu)化電源監(jiān)控和時序控制功能，而這些都是模擬解決方案無法實現(xiàn)的。改進的電壓調節(jié)精度、數(shù)字控制技術以及數(shù)字電源模塊在FPGA應用中更受歡迎。本文以瑞薩電子ISL8274M為例，闡釋數(shù)字電源模塊如何滿足FPGA的供電需求。

　　數(shù)字電源模塊滿足FPGA的需求

　　模擬和數(shù)字電源模塊均適用于FPGA電源應用。但數(shù)字電源管理擁有更多方面的優(yōu)勢，例如實時監(jiān)控、帶快速瞬態(tài)響應的數(shù)字控制以及減少材料清單(BOM)并簡化設計。數(shù)字電源模塊解決方案非常靈活，可以輕松滿足FPGA電源所需的低電壓、高電流以及額外電源軌。通過PMBus可以輕松地將新的電源軌添加到管理系統(tǒng)中。瑞薩電子專利的數(shù)字直流(DDC)通信總線，為供電設備提供通信通道，可實現(xiàn)無故障通信、時序、交錯和故障傳輸。如今，許多數(shù)字電源模塊可通過精確的參考設定點實現(xiàn)出色的輸出電壓調節(jié)精度。

　　ISL8274M是一款通用的降壓型數(shù)字電源模塊，具備PMBus通信和許多其他滿足FPGA電源要求的特性。它擁有兩個通道，可以作為兩個獨立的電壓軌用于不同的FPGA器件，或通過并聯(lián)滿足更高的電流需求。此外，ISL8274M還具有內部DDC串行總線，可實現(xiàn)與瑞薩電子其他供電器件之間的通信，能夠輕松配置和執(zhí)行加電順序、故障保護與監(jiān)控，常用電路如圖1所示。

　　圖1. ISL8274M常用應用電路圖

　　表1. 瑞薩電子ISL8274M數(shù)字電源模塊的主要特性

　　ISL8274M主要特點

　　?完善的數(shù)字電源

　　?30A/30A雙通道輸出電流

　　-4.5V至14V單軌輸入電壓

　　-效率高達95.5%

　　?可編程輸出電壓

　　-0.6V至5V輸出電壓設置

　　-線路/負載/溫度精度為±1.2%

　　?ChargeMode?控制回路架構

　　-296kHz至1.06MHz固定開關頻率操作

　　-無需電壓補償

　　-快速單時鐘周期瞬態(tài)響應

　　?PMBus接口和/或引腳模式

　　-使用PMBus完全可編程

　　-引腳模式，用于標準設置

　　-實時遙測VIN(輸入電壓)，VOUT(輸出電壓)，IOUT(輸出電流)，溫度，占空比和開關頻率 ?高級軟啟動/停止，定序和跟蹤

　　-通過故障記錄完成過壓/欠壓、電流和溫度保護

　　-支持PowerNavigator?

　　-熱增強HDA封裝

　　數(shù)字ChargeMode?控制方案

　　ISL8274M采用瑞薩電子專利的ChargeMode?控制方案，可實現(xiàn)快速的負載動態(tài)響應，保持固定的開關頻率，并支持全陶瓷輸出電容器設計。該產(chǎn)品通過使用多速率采樣技術和數(shù)字濾波器，減小了誤差采樣時刻和PWM生成時刻之間的延遲。這種簡單的補償控制方案無需額外的無源RC元件(模擬模塊所需)即可實現(xiàn)補償回路設計。對于任何系統(tǒng)內的變化，可以通過PMBus命令或PIN引腳對新補償進行重新配置。瑞薩電子同時也提供參考設計以方便用戶使用。

　　可調節(jié)上升時間的軟啟動

　　在有些場合，從接收到啟用信號到輸出電壓上升到目標值所需要的延遲時間是想要設定的。ISL8274M通過PowerNavigator?GUI設計工具為用戶簡化了設計過程，并可以精確、獨立地重置延遲和上升時間。在啟動前的輸出階段如果存在預偏置條件，ISL8274M可以通過在啟動輸出上升前對輸出電壓進行采樣從而提供預偏置保護。圖2展示了啟動上升時間為5ms的軟啟動過程。

　　圖2. ISL8274M啟動示意圖

　電源排序/電壓跟蹤

　　用于不同電壓或多相運行的一組電源模塊可以被設置為以預定順序啟動。此功能在為高性能處理器(如FPGA)供電時極為重要，這些高性能處理器需要一個電源在另一個電源之前達到其工作電壓，以避免閂鎖效應。使用ISL8274M，通過發(fā)出PMBus命令來設置多個設備的啟動順序，以便分配在序列鏈中靠前的設備，以及序列之后的設備。

　　ISL8274M具有電壓跟蹤功能，通過一個輸出通道(通道1或通道2)跟蹤施加到VTRKP和VTRKN引腳的電壓，在兩種基于特定應用的可選模式下無需外部組件。

　各種保護和監(jiān)控功能

　　ISL8274M提供完整的保護功能，包括電源輸入欠壓/過壓(UV/OV)保護、驅動器電壓UV/OV保護、兩級輸出電流欠流/過流(UC/OC)(平均值和峰值)保護、輸出電壓UV/OV保護以及低溫/過溫(UT/OT)保護。每種保護都有故障限值和警告限值，用戶可通過PMBus命令輕松設置相應的故障限值。另有包括斷續(xù)模式在內的不同的故障響應選項，用戶可從中選擇。此外，用戶還可以通過PMBus命令配置響應功能。ISL8274M能夠通過PMBus命令監(jiān)視各項系統(tǒng)參數(shù)。

　　瑞薩電子的ISL8274M提供了最完整的保護功能和監(jiān)控功能，用更安全、更穩(wěn)定的方式保護電源系統(tǒng)操作，并為用戶提供更強大的系統(tǒng)設計靈活性。

　　設計工具

　　評估板/用戶指南

　　瑞薩電子還為用戶提供ISL8274M評估板和詳細的用戶指南。評估板如圖3所示。

　　圖3. ISL8274M評估板圖片

　　PowerNavigator

　　瑞薩電子提供的PowerNavigator GUI軟件可幫助用戶加速電源設計、測試、定型和調試。用戶利用該軟件通過PMBus連接到開發(fā)板，可設置調節(jié)各種系統(tǒng)參數(shù)和閾值，最終配置存儲在非易失性存儲器中。圖4展示了PowerNavigator GUI軟件操作界面。

　　圖4. PowerNavigator操作界面

　　PowerCompass

　　PowerCompass工具可幫助用戶快速挑選出符合其特定要求的部件，設置多個電壓，進行高級系統(tǒng)分析以及生成自定義參考設計文件。該工具僅以Web應用程序的形式提供，用戶也可使用該程序脫機工作。

　　iSim設計與仿真工具

　　瑞薩電子提供一款名為iSim的基于網(wǎng)絡的強大仿真工具，這是一款使用簡單的交互式電源管理和運算放大器設計工具。iSim讓用戶能夠快速選擇支持組件，并設計和仿真其電路和系統(tǒng)。

　　結論

　　ISL8274M數(shù)字電源模塊使用瑞薩電子專利的ChargeMode控制架構，可在絕大多數(shù)情況下提供90%以上的轉換效率。另外它還提供對在FPGA處理功率瞬爆中常見的輸出電流負載階躍的單時鐘周期快速瞬態(tài)響應。該器件的無補償設計使模塊保持穩(wěn)定，無需考慮溫度、變異或老化引起的輸出電容器變化。其功率密度、高效率和快速瞬態(tài)響應滿足了單軌和多軌的電源需求。

　　用戶可在線獲取有關PowerNavigator，PowerCompass和iSim設計與仿真工具的詳細說明和視頻教程，有助于設計輕松入門。

　　關于作者

　　Xiao Li是瑞薩電子株式會社工業(yè)模擬與電力事業(yè)部高級應用工程師。