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從幾個(gè)方面為穩(wěn)壓器選擇和實(shí)現(xiàn)提供指南

FPGA之家 ? 來源:FPGA技術(shù)實(shí)戰(zhàn) ? 作者:FPGA技術(shù)實(shí)戰(zhàn) ? 2021-03-12 16:17 ? 次閱讀
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引言:面向收發(fā)器 (SERDES) FPGA 的PDN設(shè)計(jì)對(duì)電源有嚴(yán)格的要求,需要干凈的電壓源。雖然低功耗應(yīng)用中通常采用低泄漏 (LDO) 線性穩(wěn)壓器,但這一方法必須仔細(xì)的隔離電壓源。電路板設(shè)計(jì)人員在這些應(yīng)用中必須全面考慮電壓源隔離和電壓源共享問題。隔離度較高時(shí),會(huì)增加穩(wěn)壓器的數(shù)量,而太多的共享則會(huì)影響性能。如果 PDN 穩(wěn)壓不夠,那么,收發(fā)器的性能會(huì)受到很大影響。因此,正確的選擇穩(wěn)壓器和電源配置對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳收發(fā)器性能非常重要。

在很多 PDN 設(shè)計(jì)中,創(chuàng)新的開關(guān)穩(wěn)壓器相對(duì)于線性穩(wěn)壓器有很大的優(yōu)勢(shì)。而且,F(xiàn)PGA收發(fā)器技術(shù)不斷發(fā)展,在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器,從而不再需要使用外部穩(wěn)壓器。本文檔在以下方面為穩(wěn)壓器選擇和實(shí)現(xiàn)提供指南:

線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器比較

FPGA 電源隔離指南

推薦的單片封裝解決方案

PDN 性能實(shí)例

1.線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器比較

傳統(tǒng)上,電路板設(shè)計(jì)人員在低電流、低噪聲和電路板空間有限的情況下使用線性穩(wěn)壓器,而使用開關(guān)穩(wěn)壓器來提高功率,增強(qiáng)效率。這種指導(dǎo)原則在很多情況下是適用的,但是,隨著開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的進(jìn)步,現(xiàn)在它在很多應(yīng)用中可以替換線性穩(wěn)壓器。這一部分闡述線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的不同,提供每一類穩(wěn)壓器的實(shí)例,介紹開關(guān)穩(wěn)壓器技術(shù)的進(jìn)步。 線性穩(wěn)壓器具有較低的輸出噪聲,比較容易實(shí)現(xiàn),需要較少的支持元件,能夠很快的響應(yīng)負(fù)載變化,而且成本低于開關(guān)穩(wěn)壓器。但是,隨著功率需求的增大,線性穩(wěn)壓器無法有效的輸出大電流。典型的開關(guān)穩(wěn)壓器能夠有效的輸出大電流,但通常需要多個(gè)支持元件,會(huì)帶來噪聲代價(jià)。開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)不斷發(fā)展,現(xiàn)在能夠支持開關(guān)穩(wěn)壓器來替代線性穩(wěn)壓器。下面會(huì)詳細(xì)介紹這一新技術(shù)的各方面。

1.1 開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的發(fā)展

在過去十年中,開關(guān)穩(wěn)壓器經(jīng)歷了很多關(guān)鍵變革。這包括最開始的 DC/DC 變壓器 IC、外部電源 FET,以及電感等很多外部支持元件。后來是微型開關(guān)電路,這些電路在微型電路板上實(shí)現(xiàn),采用了 PCB 標(biāo)準(zhǔn)接口。然后發(fā)展到 DC/DC 變壓器和 MOSFETS 集成到一個(gè)封裝 ( 單片轉(zhuǎn)換開關(guān) ) 中,只有電感還保留在封裝之外。最近的發(fā)展則是單封裝解決方案。下面詳細(xì)介紹這些發(fā)展過程。

微型 PCB 上的微型電路解決方案

微型 PCB 上的微型電路有兩個(gè)與 DC/DC 變壓器模塊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn);負(fù)載點(diǎn)聯(lián)盟 (POLA) 和分布式電源開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟 (DOSA)。每一標(biāo)準(zhǔn)都定義了引腳輸出接口、標(biāo)準(zhǔn)封裝大小,以及標(biāo)準(zhǔn)電接口規(guī)范和控制。這些技術(shù)的例子有 Artesyn TM Technologies PTH12060DC/DC 變壓器 (POLA 標(biāo)準(zhǔn))、Tyco Electronics ATA010A0X3-SR 電源模塊 (DOSA 標(biāo)準(zhǔn))。它們都需要很少的外部支持元件,引腳區(qū)面積在 1.1X0.7 英寸左右。這些模塊有助于減小引腳區(qū)面積,優(yōu)化與開關(guān)穩(wěn)壓器電路相關(guān)的雜散效應(yīng),如圖 1 所示。

單片封裝解決方案

一些供應(yīng)商現(xiàn)在提供開關(guān)穩(wěn)壓器,在一個(gè)封裝中集成了所有電源供電元件,例如凌力爾特公司的Module 系列、Intersil 公司的電源模塊系列,以及國(guó)家半導(dǎo)體公司的簡(jiǎn)單開關(guān)電源模塊系列等,如圖 2 所示。

例如,凌力爾特公司的 Module 采用與開關(guān)穩(wěn)壓器電路相關(guān)的所有元件,將其封裝在一個(gè)基底上。DC/DC 變壓器、MOSFET、電感等主要模塊位于獨(dú)立的基底上,彼此之間相互連接。與 POLA 和 DOSA 模塊相比,這一技術(shù)更優(yōu)化,進(jìn)一步減小了引腳區(qū)面積。表 1對(duì)比了每一封裝的引腳區(qū)面積。

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表 1. 封裝引腳區(qū)對(duì)比

2.FPGA 電源隔離指南

典型的 FPGA 器件含有很多電源線,甚至需要更多的電源線對(duì)噪聲敏感的 SERDES 收發(fā)器進(jìn)行供電。例如,表 2 顯示了所推薦的 Altera 收發(fā)器 Stratix IV GX FPGA 器件電源線隔離方案。雖然這一 FPGA 中有很多電源線,但是,取決于具體設(shè)計(jì),某些電源線共用了同一穩(wěn)壓器。然而,由于噪聲和性能問題,需要對(duì)這些電源線進(jìn)行隔離。設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格按照生產(chǎn)商的建議進(jìn)行設(shè)計(jì),以滿足電源要求。一些對(duì)噪聲敏感的電路需要低噪聲電源。如果在關(guān)鍵區(qū)域不能提供干凈的電源,那么將影響抖動(dòng)發(fā)生和 PLL功能。

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表 2.Stratix IV GX FPGA 中的電源線隔離實(shí)例

2.1 鐵氧體磁珠濾波

您可以使用鐵氧體磁珠作為另一種隔離方式,幫助克服設(shè)計(jì)高速 FPGA 的高效 PDN 和多條電源線所面臨的問題??赡苄枰鄠€(gè)穩(wěn)壓器才能隔離關(guān)鍵區(qū)域的敏感電源。但是,通過使用鐵氧體磁珠,多條電源線可以共用同一穩(wěn)壓器,同時(shí)保持與其他電源平面的隔離。低 Q 鐵氧體磁珠在很寬的高頻范圍內(nèi)都具有高阻抗特性,非常適合實(shí)現(xiàn)低通噪聲濾波器。設(shè)計(jì)人員應(yīng)避免鐵氧體磁珠常見的不利影響,例如,電壓振鈴和反共振等。

2.2 去耦合分析

去耦合設(shè)計(jì)是 PDN 的關(guān)鍵組成。一般的去耦合方法無法滿足高速 FPGA PDN 的要求。您可以使用 Altera 的 PDN 工具進(jìn)行大量的分析,實(shí)現(xiàn)精細(xì)的去耦合設(shè)計(jì)。PDN 工具分析每一電壓平面,在以下因素基礎(chǔ)上開發(fā)去耦合設(shè)計(jì):

分布電感

電容裝配和電感

BGA 和電感

平面電容

穩(wěn)壓器類型

分析中包括了電源線的所有元件,支持設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確的去耦合電壓平面。

3.推薦的單片封裝解決方案

凌力爾特技術(shù)公司、國(guó)家半導(dǎo)體公司以及 Intersil 公司提供單片封裝解決方案,在封裝中集成了 DC/DC 控制器、電感和電源 MOSFET。供應(yīng)商一般會(huì)為測(cè)試各種類型的穩(wěn)壓器提供評(píng)估板。Altera 建議您在進(jìn)行選擇之前使用這類電路板來評(píng)估所需電源的性能。

3.1 凌力爾特技術(shù)公司(ADI

凌力爾特技術(shù)公司的 ? Module 電源是高速收發(fā)器 PDN 設(shè)計(jì)解決方案。這些集成開關(guān)電源能夠提供高效的大電流解決方案,保證與傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器一樣具有較低的輸出電壓波紋以及較低的開關(guān)噪聲。利用電流模式體系結(jié)構(gòu),可以在輸出端增加額外的電容,降低波紋,而且不會(huì)影響電源的穩(wěn)定性。在一個(gè)封裝中集成電源元件能夠有效的控制雜散電容和電感,從而降低了電源的 EMI 和開關(guān)噪聲。下面重點(diǎn)解釋了為什么這些電源適用于高速收發(fā)器:

小外形封裝

緊密耦合負(fù)載 / 線性穩(wěn)壓

非常低的輸出波紋

13×C/W 至 15×C/W 熱阻

多路輸出器件

作為單片 IC 進(jìn)行測(cè)試 / 特性測(cè)量

不會(huì)有電源周期失敗問題

支持各種 I/O 電平

支持各種輸出電流電平

與 LDO 設(shè)計(jì)一樣簡(jiǎn)單

3.2 國(guó)家半導(dǎo)體公司

國(guó)家半導(dǎo)體公司的 SIMPLE SWITCHER 電源模塊是高速收發(fā)器和其他噪聲敏感信號(hào)通路IC 的電源解決方案。這些模塊為提高散熱性能和可靠性而采用了單片露底封裝技術(shù)。這些模塊集成了屏蔽電感和關(guān)鍵的信號(hào)通路控制電路,減小了雜散電容和走線電感。模塊實(shí)現(xiàn)了高效的同步開關(guān)穩(wěn)壓器,以及簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器。開關(guān)單元全部置入封裝中,這些器件具有較低的 EMI 性能。國(guó)家半導(dǎo)體公司電源模塊還在每一系列的電流選項(xiàng)上提供引腳至引腳兼容功能,表明只需要一種設(shè)計(jì)和布板就能夠支持六種不同的電源。

3.3 Intersil 公司

Intersil 公司的 ISL8200M 是大功率電流共享 DC/DC 電源模塊,適用于數(shù)據(jù)通信、電信和 FPGA 應(yīng)用。獲得專利的多相位工作電流共享技術(shù)減小了波紋電流,降低了復(fù)雜度。這種穩(wěn)壓器的并行配置功能能夠提供 60 安培的電流。ISL8200M 的散熱增強(qiáng)緊湊 QFN 封裝能夠工作在全負(fù)載和過溫狀態(tài)下,不需要強(qiáng)制空氣散熱。

4.PDN 性能實(shí)例

該部分介紹 PDN 噪聲對(duì)抖動(dòng)分量的影響,然后是 PDN 對(duì) Altera Stratix IV GX 器件收發(fā)器性能影響的測(cè)試案例,它使用了各種 PDN 配置。

4.1 受影響和不受影響的抖動(dòng)分量

PDN 噪聲對(duì)抖動(dòng)分量有較大的影響。圖 3 解釋了表 3 中的各種抖動(dòng)分量

圖 3. 抖動(dòng)樹 為確定 PDN 設(shè)計(jì)中受影響的抖動(dòng)分量,根據(jù)其產(chǎn)生原因來定義每一抖動(dòng)分量。例如,當(dāng)周期性抖動(dòng) (PJ) 具有正弦屬性時(shí),它通常與數(shù)據(jù)碼型干擾以及電源波動(dòng)相關(guān)。PDN缺陷會(huì)影響 PJ。例如,欠額穩(wěn)壓器會(huì)成為電源波動(dòng)的原因。耦合較差的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致電壓下陷。表 3 詳細(xì)介紹了 PDN 噪聲對(duì)抖動(dòng)分量的影響。

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表 3. 噪聲對(duì)抖動(dòng)分量的影響

4.2 收發(fā)器性能試驗(yàn)

下面的試驗(yàn)使用了兩塊 Stratix IV GX (EP4SGX230KF40C2) 測(cè)試板來測(cè)量收發(fā)器在不同 PDN 配置時(shí)的性能。收發(fā)器位于器件的每一側(cè),如圖 4 所示。

圖 4.Altera 電源共用電路板圖 1 號(hào)器件在設(shè)計(jì)上每一側(cè)都有自己唯一的 PDN。2 號(hào)器件的所有側(cè)都有唯一的 PDN 設(shè)計(jì)。這種設(shè)置建立了三種 PDN 設(shè)計(jì),共用或者隔離收發(fā)器電源線。這三種配置被稱為“PDN1”、“PDN2”和 “PDN3”。在每一種配置中,出于試驗(yàn)和對(duì)比目的,設(shè)定了各類電源共享、隔離和穩(wěn)壓器。

這一試驗(yàn)的目的是確定共用關(guān)鍵收發(fā)器電源線效果,采用各種類型的穩(wěn)壓器來驅(qū)動(dòng)它們。該測(cè)試測(cè)量了被干擾收發(fā)器通道 RJ(rms) 值 ( 通過高頻碼型 - 1010),而其他所有收發(fā)器通道都運(yùn)行 PRBS31 數(shù)據(jù)。針對(duì)不同的配置和 4.25Gbps 到 8.5Gbps 的多種數(shù)據(jù)速率來采集數(shù)據(jù)。RJ(rms) 參數(shù)為衡量性能提供了關(guān)鍵指標(biāo),因?yàn)檫@一參數(shù)對(duì)性能的影響最大。

PDN 第 1 種配置

在 PDN1 中,隔離了所有六條收發(fā)器電源線,由線性穩(wěn)壓器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。每一電源線都有自己的電壓平面,如圖 5 所示。

圖 5.PDN1 電源樹

PDN 第 2 種配置

在 PDN2 中,所有收發(fā)器電源線與其他電源線共用。共用電源線有自己的電壓平面。所有電源線都由凌力爾特技術(shù)公司的 Module 開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),如圖 6 所示。

圖 6.PDN2 電源樹

VCCHIP (0.9V) 與 VCC (0.9V) 共用

VCCR (1.1V) 與 VCCT (1.1V) 共用,與 VCCL (1.1V) 共用

VCCH (1.5V) 與 VCCPT (1.5V) 共用

VCCA (2.5V) 與 VCCIO (2.5V) 共用

注意:由于電路板的設(shè)計(jì)約束,所以 PDN2 配置不支持 8.5Gbps。

PDN 第 3 種配置

在 PDN3 中,共用兩條收發(fā)器電源線,由線性穩(wěn)壓器或者凌力爾特技術(shù)公司的 Module開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

VCCHIP (0.9V) 與 VCC (0.9V) 共用

VCCR (1.1V) 與 VCCT (1.1V) 共用

隔離其余的收發(fā)器電源線,有自己的電壓平面。這些電源線由線性穩(wěn)壓器或者凌力爾特技術(shù)公司的 Module 開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),如圖 7 所示。

圖 7.PDN3 電源樹

測(cè)試案例

測(cè)試案例包括 12 個(gè)收發(fā)器通道傳輸數(shù)據(jù)。將一個(gè)通道設(shè)定為被干擾通道,其 TX 輸出接入頻譜分析儀的輸入。這一被干擾通道傳輸高頻碼型 (1010)。其他的 11 個(gè)干擾源通道都在外部環(huán)回,傳輸來自 FPGA 器件內(nèi)核中的 PRBS31 數(shù)據(jù)碼型。對(duì)每一測(cè)量都復(fù)制了多次,以確保結(jié)果能夠再現(xiàn)。

最初的測(cè)試從 PDN1 數(shù)據(jù)采集開始,建立基線??紤]到隔離了所有收發(fā)器電源線,因此PDN1 應(yīng)該得到最佳結(jié)果。然后,測(cè)試了其余配置的其他組合,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采用Agilent E4440A 頻譜分析儀來測(cè)量所有數(shù)據(jù),以皮秒單位來測(cè)量相位噪聲或者RJ(rms)。

測(cè)試結(jié)果

圖 8 總結(jié)了 5 種不同配置時(shí)采集的數(shù)據(jù)。PDN1、PDN2 和 PDN3 配置展示了隔離和共用電壓平面。PDN2 和 PND3 還提供其他功能,針對(duì)某些收發(fā)器電源線,在開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器之間進(jìn)行選擇。各種配置曲線如下所示:

PDN1 - (XCVR 電源線 = 所有線性穩(wěn)壓器 )

PDN3 - L (XCVR 電源線 = 所有線性穩(wěn)壓器 )

PDN3 - S (XCVR 電源線 = 所有開關(guān)穩(wěn)壓器 )

PDN2 - SL (XCVR 電源線 = 線性 / 開關(guān)穩(wěn)壓器的組合 )

PDN2 - S (XCVR 電源線 = 所有開關(guān)穩(wěn)壓器 )

圖 8.RJ(rms) 數(shù)據(jù)

如前所述,RJ(rms) 參數(shù)對(duì)總體性能的影響最大。測(cè)試案例采用不同條件處理相關(guān)測(cè)量,重點(diǎn)是 RJ(rms) 值,作為評(píng)估性能的標(biāo)準(zhǔn)。由于組合了電源線,改變了穩(wěn)壓器類型,因此,這一試驗(yàn)清楚的展示了收發(fā)器性能不受影響。

5.結(jié)論

本文介紹了設(shè)計(jì)人員怎樣通過均衡抖動(dòng)余量和穩(wěn)壓器數(shù)量,使用高級(jí)開關(guān)穩(wěn)壓器來提高低噪聲應(yīng)用的性能。從這些試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)表明,采用 Altera 的 Stratix IV GX器件時(shí),不同配置的性能略有不同。這一數(shù)據(jù)涵蓋了高達(dá) 8.5Gbps 的配置。設(shè)計(jì)人員可以組合電源線,使用新的電源模塊技術(shù),實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、更高效的 PDN 設(shè)計(jì)。

原文標(biāo)題:Altera電源分布(PDN)設(shè)計(jì)與FPGA收發(fā)器性能

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    工作原理 2.1 傳統(tǒng)穩(wěn)壓器 傳統(tǒng)穩(wěn)壓器,也稱為模擬穩(wěn)壓器,主要通過模擬電路來實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。它們通常包含一個(gè)比較、一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)功
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    如何提高穩(wěn)壓器的使用壽命

    在現(xiàn)代電子設(shè)備和電力系統(tǒng)中,穩(wěn)壓器扮演著至關(guān)重要的角色,它能夠確保電壓的穩(wěn)定輸出,從而保護(hù)敏感的電子設(shè)備免受電壓波動(dòng)的影響。 一、選擇合適的穩(wěn)壓器 選擇合適的
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    選擇穩(wěn)壓器時(shí)需考慮的因素

    1. 穩(wěn)壓器類型 穩(wěn)壓器有多種類型,包括線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器和變壓穩(wěn)壓器等。每種類型都有其特
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    穩(wěn)壓器的安裝注意事項(xiàng)

    穩(wěn)壓器的安裝注意事項(xiàng)主要包括以下幾個(gè)方面: 一、安裝位置與環(huán)境要求 選擇合適位置 :穩(wěn)壓器應(yīng)安裝在干燥、通風(fēng)良好的地方,避免靠近水源或易燃物
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    如何選擇合適的穩(wěn)壓器

    在電子電路設(shè)計(jì)中,電源的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和性能至關(guān)重要。穩(wěn)壓器作為電源管理的關(guān)鍵組件,能夠?qū)⒉环€(wěn)定的輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓,確保電子設(shè)備的正常運(yùn)行。 1. 確定穩(wěn)壓器的類型 穩(wěn)壓器
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    C55x片上低壓差穩(wěn)壓器(LDO)的使用指南

    電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《C55x片上低壓差穩(wěn)壓器(LDO)的使用指南.pdf》資料免費(fèi)下載
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    C55x片上低壓差<b class='flag-5'>穩(wěn)壓器</b>(LDO)的使用<b class='flag-5'>指南</b>

    使用不帶線性穩(wěn)壓器的4MHz開關(guān)穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換供電

    電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《使用不帶線性穩(wěn)壓器的4MHz開關(guān)穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換供電.pdf》資料免費(fèi)下載
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    使用不帶線性<b class='flag-5'>穩(wěn)壓器</b>的4MHz開關(guān)<b class='flag-5'>穩(wěn)壓器</b><b class='flag-5'>為</b>數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換<b class='flag-5'>器</b>供電