可配置集成功率管的6A雙通道同步降壓穩(wěn)壓器靈活緊湊的DC-DC變換器設(shè)計(jì)

　　為嵌入式系統(tǒng)中的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列)或者CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)設(shè)計(jì)電源是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)。選擇合適的控制IC和功率管，選擇合適的感量和容值，設(shè)計(jì)合適的環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)者而言，可能會(huì)多次評(píng)估功率損耗，負(fù)載調(diào)整率、效率、占用尺寸面積。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)的功耗要求的變化使得設(shè)計(jì)任務(wù)更加困難，需要電源被重新配置來滿足新的規(guī)格。

　　要求大量數(shù)字處理的電子系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)使用現(xiàn)場(chǎng)編程器件，例如FPGA或CPLD來替代一些定制應(yīng)用，如ASIC (專用集成電路)。盡管ASIC可能比可編程的器件有成本優(yōu)勢(shì)，但是可編程器件可以立即制造，啟動(dòng)成本低和速度快，設(shè)計(jì)更改也容易。這些優(yōu)勢(shì)推動(dòng)FPGA，CPLD成為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的特別選擇，如：以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器，存儲(chǔ)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和多媒體傳輸系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的供電

　　FPGA有3個(gè)基本的供電電壓：內(nèi)核電壓，I/O(輸入/輸出)電壓和輔助電壓。每個(gè)電壓有不同的負(fù)載電流要求。

　　內(nèi)核電壓VCCINT給器件的內(nèi)部邏輯供電，通常對(duì)電流有苛刻的要求。老的一代FPGA的內(nèi)核電壓有3.3V的，也有低到1.2V的。

　　I/O 電壓VCCIO，為FPGA的I/O塊供電。根據(jù)使用I/O的標(biāo)準(zhǔn)，分為1.5V,1.8V,2.5V或3.3V。通常根據(jù)與FPGA通信的器件所用的電壓選擇I/O電壓。

　　輔助電壓VCCAUX，是用來給FPGA內(nèi)的數(shù)字時(shí)鐘管理器和JTAG I/O電路供電的。這個(gè)電壓通常是2.5V或3.3V。

多變的供電需求

　　FPGA或CPLD的編程和配置可以被工程師在任何時(shí)候，簡(jiǎn)單的重復(fù)上面的設(shè)計(jì)、編譯和下載步驟來作修改。FPGA被重新配置來完成一個(gè)新設(shè)計(jì)是沒有次數(shù)限制的。不需要修改電路板的走線，也不需要更改器件，就可以快速和輕松地解決問題。同時(shí)，在不改布局的情況下，可以給一個(gè)給定的設(shè)計(jì)增加功能和特性。這就是現(xiàn)場(chǎng)可編程器件應(yīng)用在復(fù)雜的，數(shù)字多媒體系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)。

　
圖1  ISL65426 功能方框圖

　　當(dāng)然，這種靈活性是要付出代價(jià)的。FPGA的供電要求，尤其是它對(duì)供電電流的要求，和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性是成正比的。重新配置FPGA，新的功能也改變了對(duì)它供電的供電系統(tǒng)的要求。FPGA使用越多，要求的供電電流也就越大。電流需求也隨時(shí)鐘頻率的增加而增加，因此FPGA運(yùn)行越快，它所需要的電源功率就越大。因此，F(xiàn)PGA功能的改變也往往意味著供電設(shè)計(jì)的更改。

單片集成雙通道降壓穩(wěn)壓器

　　為了滿足緊湊的，靈活的電源系統(tǒng)的需要，為了給數(shù)字設(shè)計(jì)者提供FPGA供電系統(tǒng)的迅速的設(shè)計(jì)和可以重新配置的解決方案，INTERSIL推出了ISL65426，它是一個(gè)雙通道的同步降壓穩(wěn)壓器，最大能夠提供6A的負(fù)載電流，效率高至95％。這兩個(gè)輸出電壓可以邏輯編程也可以電阻可調(diào)，每個(gè)輸出通道的負(fù)載電流是由用戶配置的。因此如果FPGA/CPLD供電在設(shè)計(jì)過程中需要改變，新的需求可以通過簡(jiǎn)單的重新分配每個(gè)通道的負(fù)載電流來滿足。

　
圖2  ISL65426 功率塊圖

　
圖3  ISL65426 在單供電應(yīng)用, 3A/3A 輸出電流配置

　　完全集成的同步降壓DC/DC穩(wěn)壓器不需要工程師選擇功率管，無需定環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)，只需要簡(jiǎn)單的選擇電感和電容就可以了。整個(gè)器件的數(shù)目也減少了，因?yàn)閮?nèi)部高端的MOSFET是用PMOS器件來完成，而不是典型的NMOS器件，這樣自舉電容又能省掉。由于內(nèi)部具有數(shù)字軟啟動(dòng)功能和環(huán)路補(bǔ)償，這樣外面的軟啟動(dòng)電容和RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)就也可以省掉。

　　有利于散熱的，增強(qiáng)型QFN封裝，高達(dá)1.1MHz的工作頻率，BOM元件數(shù)目減少導(dǎo)致FPGA的VCCINT、VCCIO電壓的供電方案很緊湊。

　　ISL65426的功能框圖如圖1所示。

可配置負(fù)載電流的能力

　　ISL65426使用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，用戶可以配置功率塊，使得電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常迅速。內(nèi)部包含6個(gè)1A功率塊，共有四種功率配置方式可選。每個(gè)同步整流的通道都必須關(guān)聯(lián)一個(gè)主功率塊，剩下的4個(gè)功率塊是從塊，可以被用戶指定與某個(gè)主塊相關(guān)聯(lián)，如圖2所示。

　　用戶可以指派ISL65426兩個(gè)通道的負(fù)載電流能力。利用芯片的2個(gè)邏輯引腳，ISET1和ISET2，可以根據(jù)表1進(jìn)行電流分配。

　
表1  輸出電流配置

表2  輸出電壓配置

　　每個(gè)功率塊都有它自己的供電引腳PVIN。ISL65426能夠接受1~2個(gè)輸入供電，提供兩路穩(wěn)定的輸出電壓。一旦電源負(fù)載電流規(guī)格要求更改，只需少量的工作就可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。因?yàn)镮SL65426內(nèi)置功率器件，內(nèi)置環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)單改變ISET1和ISET2邏輯電平(PVIN和LX連接到芯片)，就能改變通道之間的電流分配。圖3是典型配置。

可變的輸出電壓選擇

　　ISL65426可以用4個(gè)邏輯引腳，即V1SET1、V1SET2、V2SET1和V2SET2來給每個(gè)通道選擇輸出電壓值。可貴之處在于，能接受2位VID輸入，為設(shè)計(jì)更改和重新定位提供便利。因?yàn)樗ㄟ^更改邏輯位來更改輸出電壓，而不需要對(duì)電源板和它上面的元件作出修改。這樣，設(shè)計(jì)更改可以迅速而可靠地完成。此外，如果有些系統(tǒng)需要，2位的VID輸入允許ISL65426的輸出電壓可以被數(shù)字控制。表2列出輸出電壓選項(xiàng)。

　　去掉反饋電阻可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減少元件數(shù)目和增加系統(tǒng)的整體精度。為方便選擇輸出電壓而不犧牲設(shè)計(jì)的靈活性，因此ISL65426保留傳統(tǒng)的電阻分壓方法來設(shè)置輸出電壓。片內(nèi)參考電壓是0.6V，當(dāng)使用5V供電時(shí)候，通過調(diào)反饋電阻，每個(gè)通道的輸出可以被設(shè)置為0.6V～4V。

內(nèi)置故障保護(hù)

　　ISL65426有過壓、欠壓、過流和過溫保護(hù)，即故障檢測(cè)和保護(hù)被集成到芯內(nèi)，無需外部元件。

　　在過壓情況下(當(dāng)輸出電壓超過了參考電壓的115％以上時(shí))，ISL65426將積極努力把輸出電壓調(diào)整到輸出過壓設(shè)置點(diǎn)以下。

　　對(duì)欠壓保護(hù)，反饋電壓被檢測(cè)，同欠壓閥值(參考電壓的85％)比較。一旦偵測(cè)到任何一個(gè)通道欠壓，內(nèi)部的4位計(jì)數(shù)器就增1。如果所有的通道在同一個(gè)開關(guān)周期都檢測(cè)到欠壓，計(jì)數(shù)器增2。如果這個(gè)計(jì)數(shù)器繼續(xù)增加，一旦計(jì)數(shù)器溢出，欠壓保護(hù)邏輯關(guān)斷所有的穩(wěn)壓器。

　　過流保護(hù)電路使用另外的4位的計(jì)數(shù)器來跟蹤過流事件。每個(gè)功率塊的電流被偵測(cè)，與過流限定值(和使用的功率塊配置是對(duì)應(yīng)的)作比較。如果測(cè)試的電流超過了過流閾值，計(jì)數(shù)器增加。如果在計(jì)數(shù)器溢出前，測(cè)量到的電流值降到過流閥值點(diǎn)以下，計(jì)數(shù)器被復(fù)位。如果在同一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，每個(gè)轉(zhuǎn)化器通道都發(fā)生了過流，計(jì)數(shù)器加2。一旦計(jì)數(shù)器溢出，關(guān)斷每個(gè)通道。

　　最后，對(duì)于過溫保護(hù)，一個(gè)內(nèi)部的溫度傳感器連續(xù)檢測(cè)ISL65426的結(jié)溫，如果超過了150