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為了滿足FPGA的電源要求

李巍 ? 來源:huhuiyun ? 作者:huhuiyun ? 2023-02-17 09:25 ? 次閱讀
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-已經(jīng)請您介紹了FPGA電源要求,接下來請您介紹一下將該DC/DC轉(zhuǎn)換器系列定義為“FPGA用”的原因。首先,該系列中有些什么樣的DC/DC轉(zhuǎn)換器IC呢?

目前有8種機(jī)型,是覆蓋FPGA電源的電壓與電流的產(chǎn)品陣容。單個介紹比較困難,請看產(chǎn)品陣容表。

poYBAGPtjPGAacH3AAGX5zlsAqg905.gif

poYBAGPtjPOAVF8HAACr0GImnEE442.gif

大致分為功率晶體管內(nèi)置型與外置控制器型,全部為同步整流型單通道DC/DC轉(zhuǎn)換器IC。輸入電壓考慮到5V系統(tǒng)電壓與12V總線輸入電壓,耐壓為7V與15.2V,控制器為28V。功率晶體管內(nèi)置型的輸出電流為1A~6A,控制器的輸出電流通過外置MOSFET可設(shè)置的范圍較廣。設(shè)想的輸出電壓為1.8V~1V左右,因此最低輸出電壓為0.8V,控制器為0.75V。即使作為通用電源使用也搭載了一般的電源良好(Power Good)、軟啟動及各種保護(hù)功能。

-前面請您總結(jié)的有關(guān)FPGA的電源要求事項(xiàng)是:1) 電源電壓為多種;2) 電源時序;3) 低電壓大電流;4) 電壓精度要求嚴(yán)格(包括紋波、負(fù)載瞬態(tài)引起的變動,PCB板布線電阻引起的電壓降等);5) 低噪聲。您提到這些是電源方面的課題,那么該DC/DC轉(zhuǎn)換器系列是怎么處理這些課題的呢?

首先,1)電源電壓為多種,使1個DC/DC轉(zhuǎn)換器支持各電源,可進(jìn)行最適合的條件設(shè)置。關(guān)于2)電源時序,可通過軟啟動和外部控制進(jìn)行處理。最關(guān)鍵的要點(diǎn)在于3)低電壓大電流和4)電壓精度的處理。5)低噪聲也與此相關(guān)。

-從您的介紹和表來看,最低電壓為0.8V/0.75V,已經(jīng)很低了,輸出電流為1A~6A,控制器可達(dá)到更高,但好像近年來通用DC/DC轉(zhuǎn)換器也是相同的規(guī)格。

關(guān)鍵是4)電壓精度。DC的電壓精度由內(nèi)部的參考電壓精度來決定,保證最大值為±1%(控制器為±1.5%),這屬于最高精度級別了。也就是說,如果這是輸出電壓精度的全部的話,前面舉例的1V±3%很輕松就可以達(dá)到。但是,作為電壓精度還要加上括號中(紋波、負(fù)載瞬態(tài)引起的變動,以及PCB板布線電阻引起的電壓降等)的誤差。

-那么,針對些誤差也有相應(yīng)的處理吧?

對影響電壓精度的要因——紋波和負(fù)載瞬態(tài)的處理與對電壓降的處理是分開的。首先,對紋波與負(fù)載瞬態(tài)進(jìn)行說明。紋波,提高對來自輸出的反饋電壓的響應(yīng)速度,對參考電壓如果將開關(guān)盡可能控制在狹小范圍內(nèi),可減小誤差。關(guān)于負(fù)載瞬態(tài),負(fù)載急劇變動時,如果盡可能快速響應(yīng)并使變動的電壓恢復(fù)為設(shè)置值,則輸出變動變小,并可在短時間內(nèi)恢復(fù)。為此,該DC/DC轉(zhuǎn)換器系列采用了電流模式、遲滯模式、H3Reg?模式等高速控制模式。

-電流模式與遲滯模式是眾所周知的基本控制方法,H3Reg是什么樣的模式呢?

H3Reg是ROHM獨(dú)有的高速瞬態(tài)響應(yīng)控制。下面的框圖表示BD95601MUV-LB的H3Reg控制環(huán)路。H3Reg是定位為“固定導(dǎo)通時間控制的改進(jìn)版”的控制方法,使用電壓比較器快速比較基準(zhǔn)電壓(參考電壓)與反饋電壓,并快速切換輸出開關(guān)。這不必依賴開關(guān)頻率即可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

pYYBAGPtjPaADhM6AABUCjgXo8Y958.gif

正常工作時的波形如下。

poYBAGPtjPiATGxOAAA0eLH7zdI602.gif

如果FB反饋電壓(為便于比較被分壓的輸出電壓)比REF基準(zhǔn)電壓(參考)低,則通過比較器立即導(dǎo)通HG(高邊輸出功率晶體管),在右邊公式算出的時間內(nèi)對輸出供應(yīng)電流,從而使Vout上升并關(guān)閉HG。接著LG(低邊輸出功率晶體管)在FB=REF成立之前導(dǎo)通,Vout下降。

pYYBAGPtjPmAJI99AAAz78YmmOw405.gif

負(fù)載電流(Io)瞬態(tài)增加時輸出電壓顯著降低,可能會出現(xiàn)即使過了上述公式中的ton時間還未完全上升到設(shè)置電壓的情況。當(dāng)檢測到這種情況時,像左邊的波形那樣,H3Reg延長ton時間以促進(jìn)Vout的恢復(fù),也就是提高瞬態(tài)響應(yīng)速度。之后如果Vout恢復(fù),則恢復(fù)正常工作。

其他還有很多更細(xì)致的內(nèi)容,但以該H3Reg為代表的高速瞬態(tài)響應(yīng)控制,是滿足FPGA的低電壓大電流條件下高輸出電壓精度等電源要求的關(guān)鍵要點(diǎn)。

-對電壓精度的另一個課題–PCB板布線引起的電壓降是怎么處理的呢?

有兩種方法,一種是反饋FPGA電源引腳電壓的遠(yuǎn)程感測方法,另一種是盡可能地將DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端安裝在FPGA的電源引腳端的稱為“POL(Point of Load)”的方法。

-明白了,該DC/DC轉(zhuǎn)換器系列的基本性能當(dāng)然不用說,高速瞬態(tài)響應(yīng)性能非常優(yōu)異,因此可以滿足FPGA的電源要求。但是,在實(shí)際的設(shè)計過程中,為了充分發(fā)揮IC的性能,應(yīng)該需要元器件選型及PCB板布局等方面的技術(shù)訣竅和經(jīng)驗(yàn)積累。

這是非常重要的一點(diǎn)。這次采訪中,我重點(diǎn)講了IC的功能及性能方面的要點(diǎn)。但實(shí)際上是通過電源電路來應(yīng)對FPGA的要求的,而這涉及到組成元器件的選型及布局等很多必須注意的內(nèi)容。對此,ROHM在提供使用了該DC/DC轉(zhuǎn)換器系列的參考設(shè)計的同時,也提供個別的設(shè)計支持。以下是參考設(shè)計示例。

poYBAGPtjPuAZfv_AAKBBrlNxYo058.gif

-有了這樣的參考設(shè)計與支持,我想設(shè)計師會比較有信心。

如其名稱所呈現(xiàn)的,F(xiàn)PGA是可編程器件,構(gòu)成與工作各不相同,對電源的要求也不同。從這個意義上講設(shè)計支持也是必須的。

-最后還有什么需要補(bǔ)充的嗎?

實(shí)際上,還沒提到電源的固有項(xiàng)目–效率。決不是說FPGA不需要高效率,F(xiàn)PGA是需要較大功率的設(shè)備,因此電源的最大效率還是備受期待的。該DC/DC轉(zhuǎn)換器系列,基本上通過同步整流式可實(shí)現(xiàn)90%左右的最大效率,輕負(fù)載時具有以Deep-SLLM? (Simple Light Load Mode)為代表的輕負(fù)載效率保持模式,在效率方面也可滿足FPGA的要求。

審核編輯:湯梓紅

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