FPGA應(yīng)用供電設(shè)計(jì)一點(diǎn)通

　　FPGA被廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品，具有開(kāi)發(fā)時(shí)間短、成本效益高以及靈活的現(xiàn)場(chǎng)重配置與升級(jí)等諸多優(yōu)點(diǎn)。很多新型FPGA利用先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗和高性能。他們通過(guò)新的制造工藝降低了內(nèi)核電壓，從而擴(kuò)大電源電壓范圍并提高電流量。很多FPGA對(duì)每個(gè)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(shí)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(gè)電源模塊包括控制器、FET、電感器和大部分無(wú)源器件，而這些器件都在一個(gè)封裝內(nèi)，僅需外部配備輸入和輸出電容器即可完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)字電源模塊結(jié)合了電源模塊和數(shù)字電源的優(yōu)點(diǎn)，使用數(shù)字電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并快速優(yōu)化電源監(jiān)控和時(shí)序控制功能，而這些都是模擬解決方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。改進(jìn)的電壓調(diào)節(jié)精度、數(shù)字控制技術(shù)以及數(shù)字電源模塊在FPGA應(yīng)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(yīng)用。但數(shù)字電源管理?yè)碛懈喾矫娴膬?yōu)勢(shì)，例如實(shí)時(shí)監(jiān)控、帶快速瞬態(tài)響應(yīng)的數(shù)字控制以及減少材料清單(BOM)并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。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(guò)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(shè)備提供通信通道，可實(shí)現(xiàn)無(wú)故障通信、時(shí)序、交錯(cuò)和故障傳輸。如今，許多數(shù)字電源模塊可通過(guò)精確的參考設(shè)定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)出色的輸出電壓調(diào)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(gè)通道，可以作為兩個(gè)獨(dú)立的電壓軌用于不同的FPGA器件，或通過(guò)并聯(lián)滿足更高的電流需求。此外，ISL8274M還具有內(nèi)部DDC串行總線，可實(shí)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(hù)與監(jiān)控，常用電路如圖1所示。

　　圖1. ISL8274M常用應(yīng)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(diǎn)

　　?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(dá)95.5%

　　?可編程輸出電壓

　　-0.6V至5V輸出電壓設(shè)置

　　-線路/負(fù)載/溫度精度為±1.2%

　　?ChargeMode?控制回路架構(gòu)

　　-296kHz至1.06MHz固定開(kāi)關(guān)頻率操作

　　-無(wú)需電壓補(bǔ)償

　　-快速單時(shí)鐘周期瞬態(tài)響應(yīng)

　　?PMBus接口和/或引腳模式

　　-使用PMBus完全可編程

　　-引腳模式，用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置

　　-實(shí)時(shí)遙測(cè)VIN(輸入電壓)，VOUT(輸出電壓)，IOUT(輸出電流)，溫度，占空比和開(kāi)關(guān)頻率 ?高級(jí)軟啟動(dòng)/停止，定序和跟蹤

　　-通過(guò)故障記錄完成過(guò)壓/欠壓、電流和溫度保護(hù)

　　-支持PowerNavigator?

　　-熱增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)快速的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)，保持固定的開(kāi)關(guān)頻率，并支持全陶瓷輸出電容器設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品通過(guò)使用多速率采樣技術(shù)和數(shù)字濾波器，減小了誤差采樣時(shí)刻和PWM生成時(shí)刻之間的延遲。這種簡(jiǎn)單的補(bǔ)償控制方案無(wú)需額外的無(wú)源RC元件(模擬模塊所需)即可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償回路設(shè)計(jì)。對(duì)于任何系統(tǒng)內(nèi)的變化，可以通過(guò)PMBus命令或PIN引腳對(duì)新補(bǔ)償進(jìn)行重新配置。瑞薩電子同時(shí)也提供參考設(shè)計(jì)以方便用戶使用。

　　可調(diào)節(jié)上升時(shí)間的軟啟動(dòng)

　　在有些場(chǎng)合，從接收到啟用信號(hào)到輸出電壓上升到目標(biāo)值所需要的延遲時(shí)間是想要設(shè)定的。ISL8274M通過(guò)PowerNavigator?GUI設(shè)計(jì)工具為用戶簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，并可以精確、獨(dú)立地重置延遲和上升時(shí)間。在啟動(dòng)前的輸出階段如果存在預(yù)偏置條件，ISL8274M可以通過(guò)在啟動(dòng)輸出上升前對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣從而提供預(yù)偏置保護(hù)。圖2展示了啟動(dòng)上升時(shí)間為5ms的軟啟動(dòng)過(guò)程。

　　圖2. ISL8274M啟動(dòng)示意圖

　電源排序/電壓跟蹤

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

　　ISL8274M具有電壓跟蹤功能，通過(guò)一個(gè)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(yīng)用的可選模式下無(wú)需外部組件。

　各種保護(hù)和監(jiān)控功能

　　ISL8274M提供完整的保護(hù)功能，包括電源輸入欠壓/過(guò)壓(UV/OV)保護(hù)、驅(qū)動(dòng)器電壓UV/OV保護(hù)、兩級(jí)輸出電流欠流/過(guò)流(UC/OC)(平均值和峰值)保護(hù)、輸出電壓UV/OV保護(hù)以及低溫/過(guò)溫(UT/OT)保護(hù)。每種保護(hù)都有故障限值和警告限值，用戶可通過(guò)PMBus命令輕松設(shè)置相應(yīng)的故障限值。另有包括斷續(xù)模式在內(nèi)的不同的故障響應(yīng)選項(xiàng)，用戶可從中選擇。此外，用戶還可以通過(guò)PMBus命令配置響應(yīng)功能。ISL8274M能夠通過(guò)PMBus命令監(jiān)視各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)。

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

　　設(shè)計(jì)工具

　　評(píng)估板/用戶指南

　　瑞薩電子還為用戶提供ISL8274M評(píng)估板和詳細(xì)的用戶指南。評(píng)估板如圖3所示。

　　圖3. ISL8274M評(píng)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(shè)計(jì)、測(cè)試、定型和調(diào)試。用戶利用該軟件通過(guò)PMBus連接到開(kāi)發(fā)板，可設(shè)置調(diào)節(jié)各種系統(tǒng)參數(shù)和閾值，最終配置存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)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(shè)置多個(gè)電壓，進(jìn)行高級(jí)系統(tǒng)分析以及生成自定義參考設(shè)計(jì)文件。該工具僅以Web應(yīng)用程序的形式提供，用戶也可使用該程序脫機(jī)工作。

　　iSim設(shè)計(jì)與仿真工具

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

　　結(jié)論

　　ISL8274M數(shù)字電源模塊使用瑞薩電子專利的ChargeMode控制架構(gòu)，可在絕大多數(shù)情況下提供90%以上的轉(zhuǎn)換效率。另外它還提供對(duì)在FPGA處理功率瞬爆中常見(jiàn)的輸出電流負(fù)載階躍的單時(shí)鐘周期快速瞬態(tài)響應(yīng)。該器件的無(wú)補(bǔ)償設(shè)計(jì)使模塊保持穩(wěn)定，無(wú)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(yīng)滿足了單軌和多軌的電源需求。

　　用戶可在線獲取有關(guān)PowerNavigator，PowerCompass和iSim設(shè)計(jì)與仿真工具的詳細(xì)說(shuō)明和視頻教程，有助于設(shè)計(jì)輕松入門。

　　關(guān)于作者

　　Xiao Li是瑞薩電子株式會(huì)社工業(yè)模擬與電力事業(yè)部高級(jí)應(yīng)用工程師。