如何為L(zhǎng)attice CertusPro-NX FPGA評(píng)估板優(yōu)先考慮效率和成本

摘要

現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)系列（如Lattice Semiconductor CertusPro?-NX）適用面廣泛，但需滿足根據(jù)特定市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的需求而定制的電源要求。如果不清楚該如何平衡成本、性能和尺寸這三個(gè)要素，則可能難以為這些器件選擇合適的供電方式。本文介紹了適用于CertusPro-NX評(píng)估板的解決方案，同時(shí)針對(duì)特定需求闡明了各種解決方案實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的原理和原因。μModule?電源解決方案尺寸小巧、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，為FPGA系統(tǒng)提供了一種非常實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，但還有其他選項(xiàng)可供電源系統(tǒng)架構(gòu)師考慮。

簡(jiǎn)介 Lattice Semiconductor CertusPro-NX評(píng)估板旨在方便用戶研究和試驗(yàn)CertusPro-NX FPGA的特性。其特性可以幫助用戶快速制作原型和測(cè)試特定設(shè)計(jì)。該評(píng)估系統(tǒng)包括了片上穩(wěn)壓器，用于為FPGA提供電源選項(xiàng)。大多數(shù)的電源軌都可以根據(jù)用戶的喜好進(jìn)行選擇。

本文旨在為L(zhǎng)attice Semiconductor CertusPro-NX FPGA評(píng)估板的每個(gè)電源選項(xiàng)提供更新的電源建議?？紤]到設(shè)計(jì)復(fù)雜性、效率、解決方案尺寸和成本，此電源解決方案必須包括更為先進(jìn)、性能更優(yōu)的電源產(chǎn)品。通常，評(píng)估板會(huì)設(shè)計(jì)能夠展示FPGA完整特性集的電源架構(gòu)。這種方法對(duì)于評(píng)估是必要的，但可能不適用于不需要全部性能的系統(tǒng)。對(duì)于那些針對(duì)小物理尺寸電路板進(jìn)行優(yōu)化的縮小版實(shí)現(xiàn)方案來說，這種電源架構(gòu)可能太大了。哪種解決方案更適合特定的CertusPro-NX應(yīng)用，將取決于系統(tǒng)架構(gòu)師認(rèn)為該特定項(xiàng)目應(yīng)更優(yōu)先考慮哪些因素。

分立解決方案由專用電源IC和外圍電源器件組成，這類方案?jìng)?cè)重于效率性能和成本，其次才是物理布局尺寸。在更重視緊湊外形的系統(tǒng)中，ADI公司的μModule解決方案可帶來常規(guī)布局無法實(shí)現(xiàn)的無與倫比的能量密度，同時(shí)仍具有超越現(xiàn)有CertusPro-NX參考設(shè)計(jì)的性能優(yōu)勢(shì)。此參考設(shè)計(jì)在這方面具有專業(yè)優(yōu)勢(shì)，支持系統(tǒng)架構(gòu)師根據(jù)其對(duì)預(yù)期的平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)和限制條件的深入了解，選擇需要整合到平臺(tái)中的電源解決方案版本。架構(gòu)師可以通過仔細(xì)研究?jī)蓚€(gè)版本的數(shù)據(jù)，慎重權(quán)衡相關(guān)尺寸、性能和成本，為更大程度地符合項(xiàng)目工程規(guī)范而做出更合適的選擇。

CertusPro-NX評(píng)估板電源架構(gòu)

CertusPro-NX評(píng)估板的大多數(shù)片上穩(wěn)壓器由外部12 V電源供電。FPGA的每個(gè)VCCIO引腳都有默認(rèn)電源選項(xiàng)，用戶也可以根據(jù)其應(yīng)用的具體情況選擇偏好的電源選項(xiàng)。圖1顯示了連接到FPGA特定VCCIO引腳的可用電壓軌。表1總結(jié)了VCCIO引腳可用的電壓選項(xiàng)。

圖1.CertusPro-NX FPGA VCCIO引腳電壓選項(xiàng)

表1.VCCCIO電源選項(xiàng)

FPGA的VCCIO引腳使用的各個(gè)電壓軌均由各種片上穩(wěn)壓器產(chǎn)生。主電源通過外部12 V直流電源提供，這在CertusPro-NX評(píng)估板 用戶指南的第1.4節(jié)中進(jìn)行了討論。圖2顯示了由外部12 V直流電源供電的片上穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的不同電壓輸出軌。LDO穩(wěn)壓器也用于后調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生較低的電壓，同時(shí)降低輸出處的噪聲。

圖2.CertusPro-NX評(píng)估板電源方案

推薦電源解決方案架構(gòu)

穩(wěn)壓12 V壁式適配器用作評(píng)估板的輸入電壓。給定此輸入源和評(píng)估板上所需的電壓電平，可以使用單次降壓法直接從12 V生成所有必要的電壓軌。如果用戶需要更寬的輸入電壓范圍，或使用更高的輸入電壓（例如24 V），則可以考慮采用兩次降壓法：首先生成一個(gè)中間電壓軌（例如5.0 V或3.3 V），然后使用中間電壓軌為后續(xù)穩(wěn)壓器供電以產(chǎn)生更低電壓，如圖3所示。

圖3.兩次降壓法與單次降壓法

拓?fù)涞倪x擇將影響效率、各轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和解決方案總體尺寸等參數(shù)。在每個(gè)新的實(shí)施方案中都需要仔細(xì)考慮這些因素，以優(yōu)化每個(gè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的電源架構(gòu)。此外，可能還需要適當(dāng)?shù)妮斎氡Ｗo(hù)和濾波電路。

CertusPro-NX評(píng)估板的兩種電源解決方案在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了不同的優(yōu)先事項(xiàng)，二者均使用前文所述的單次降壓法。第一種是分立解決方案，它使用單體式DC-DC穩(wěn)壓器，提供外圍電路，并允許用戶對(duì)針對(duì)每個(gè)電源軌單獨(dú)優(yōu)化器件以獲得最優(yōu)性能。第二種是采用ADI μModule技術(shù)的全集成解決方案，盡最大可能為應(yīng)用提供更緊湊、更簡(jiǎn)單的布局方案，同時(shí)還能提供出色的電源方案性能。

LTPowerPlanner?是一種支持優(yōu)化系統(tǒng)級(jí)電源樹的工具，其中提供了CertusPro-NX評(píng)估板的新型電源解決方案架構(gòu)。LTpowerCAD?可用來為每個(gè)選定的DC-DC IC提供詳細(xì)的電路方案，包括根據(jù)輸入的IC使用情況和周圍無源元件估算電路性能。這些程序是適用于Windows的工具套件的一部分，可從LTpowerCAD網(wǎng)頁下載。此網(wǎng)頁還提供了入門文檔、培訓(xùn)材料和視頻。

分立電源解決方案

分立電源解決方案支持設(shè)計(jì)人員針對(duì)特定解決方案優(yōu)化外部電路元件，從而為每個(gè)電壓軌提供更優(yōu)的獨(dú)立DC-DC穩(wěn)壓器性能。與現(xiàn)有電源解決方案相比，新推薦的分立電源解決方案實(shí)現(xiàn)了顯著的性能改進(jìn)。所有DC-DC穩(wěn)壓器都使用同步內(nèi)部開關(guān)來更大限度地提高效率，同時(shí)仍保持緊湊的設(shè)計(jì)和出色的EMI性能。圖4為CertusPro-NX評(píng)估板的分立解決方案電源樹。

開關(guān)穩(wěn)壓器

LT8653S LT8653S 采用第二代Silent Switcher?架構(gòu)，更大限度地降低了EMI輻射，同時(shí)可在高開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高效率。 具有寬VIN范圍和雙通道2 A輸出，是一款理想的候選器件。

ADP2387

需要兩個(gè)電壓分別為1.8 V和3.3 V的電壓軌，以提供高于LT8653S所能提供的輸出電流，具體分別為4 A和3 A。根據(jù)這些要求，ADP2387 被確定為該應(yīng)用的理想候選器件。

線性穩(wěn)壓器

MAX38903C MAX38903C在CertusPro-NX評(píng)估板的1 V電壓軌上用作后置穩(wěn)壓器，以抑制高噪聲。該器件是一款低噪聲線性穩(wěn)壓器，可提供高達(dá)1 A的輸出電流，在10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)的輸出噪聲僅為5.5 μV rms。MAX38903C具有低輸出噪聲和高噪聲抑制特性，是用于CertusPro-NX評(píng)估板電源解決方案的明智選擇。

ADP1707 ADP1707-1.8 是一款CMOS低壓差線性穩(wěn)壓器，輸出電壓為1.8 V，輸出電流高達(dá)1 A，采用3 mm × 3 mm裸露焊盤LFCSP封裝。 因此，解決方案非常緊湊，并能為輸出電流需高達(dá)1 A的小巧外形應(yīng)用提供出色的熱性能，因而也十分適用于CertusPro-NX評(píng)估板的電源解決方案。

μModule電源解決方案

另一方面，利用ADI公司的μModule技術(shù)，可以進(jìn)一步縮小并簡(jiǎn)化模塊相關(guān)解決方案，并且還不會(huì)犧牲性能質(zhì)量。ADI公司的μModule穩(wěn)壓器和DC-DC電源產(chǎn)品是完整的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)電源管理解決方案，在緊湊的表面貼裝BGA或LGA封裝中集成了DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補(bǔ)償元件以及電感。μModule電源產(chǎn)品支持降壓、降壓-升壓、電池充電器、隔離式轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動(dòng)器等功能。

圖5為使用μModule器件的CertusPro-NX評(píng)估板的電源解決方案樹。外部12 V輸入電源之后的第一級(jí)是μModule DC-DC穩(wěn)壓器陣列。下一級(jí)由線性穩(wěn)壓器組成。μModule設(shè)計(jì)（圖5）和分立解決方案（圖4）選擇了相同的線性穩(wěn)壓器。

圖4.使用LTPowerPlanner工具建模的分立解決方案電源樹

圖5. μModule解決方案電源樹

圖6.分立解決方案的VDD_1V8和VCC_3V3電壓軌原理圖

開關(guān)穩(wěn)壓器模塊

LTM8078 LTM8078 是一款40 VIN、雙通道1.4 A/單通道2.8 A、降壓型Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器。 Silent Switcher架構(gòu)可進(jìn)一步降低EMI，同時(shí)在高達(dá)3 MHz的頻率下實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。封裝中內(nèi)置控制器、功率開關(guān)、電感和其他相關(guān)元件。器件的輸入電壓工作范圍較寬，開關(guān)頻率范圍為300 kHz至3 MHz（由單個(gè)電阻設(shè)置），只需使用輸入和輸出濾波器體電容就可以完成設(shè)計(jì)。因此，該器件也是CertusPro-NX評(píng)估板電源解決方案的理想選擇。

LTM4625 LTM4625 是一款完整的5 A降壓型開關(guān)模式μModule穩(wěn)壓器，采用小型6.25 mm × 6.25 mm × 5.01 mm BGA封裝。 其高效率設(shè)計(jì)提供高達(dá)5 A的連續(xù)輸出電流。僅需要大容量輸入和輸出電容。該器件提供高開關(guān)頻率和電流模式控制，可以對(duì)線路和負(fù)載變化作出快速瞬態(tài)響應(yīng)，而不會(huì)降低穩(wěn)定性。

LTM8078和LTM4625 μModule開關(guān)穩(wěn)壓器提供了更簡(jiǎn)單的優(yōu)質(zhì)解決方案，消除了復(fù)雜性并避免了空間限制。

CertusPro-NX評(píng)估板電源解決方案設(shè)計(jì)詳細(xì)說明

分立解決方案設(shè)計(jì) 根據(jù)CertusPro-NX FPGA 數(shù)據(jù)手冊(cè)所述的推薦工作條件，電源電壓應(yīng)在典型值的±5%以內(nèi)。在設(shè)計(jì)中，由反饋電阻和穩(wěn)壓器VREF電壓的容差帶來的直流輸出誤差、輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)已經(jīng)考慮在該5%的容差中。在存在這些誤差的情況下，該器件仍處于FPGA推薦工作條件的5%允許值范圍內(nèi)。

可從ADI客戶辦公室解決方案部門獲取所有電壓軌的完整數(shù)據(jù)，但表2中選定的一些電壓軌顯示了1.35 A LT8653S和3 A/4 A ADP2387輸出的典型代表性能。

表2.分立設(shè)計(jì)效率和紋波性能數(shù)據(jù)

電壓軌1：VDD_1V8

此電壓軌需要1.8 V輸出電壓，并且應(yīng)能提供高達(dá)1.35 A的輸出電流。使用LT8653S的一個(gè)通道可以滿足這一要求。設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵循了應(yīng)用輸出負(fù)載電流的±5%總輸出電壓誤差，以確保符合推薦的工作條件。

為實(shí)現(xiàn)高直流精度，使用了內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。該器件的通道配置為1.8 V反饋基準(zhǔn)電壓，從而消除電阻值和容差引起的誤差。圖6顯示了LTPowerCAD生成的VDD_1V8和VCC_3V3原理圖。

在評(píng)估電壓軌以確保輸出處于推薦工作條件范圍內(nèi)的過程中，以非常快速且非常高的負(fù)載階躍作為激勵(lì)來評(píng)估負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。階躍負(fù)載設(shè)置為0 A至1 A階躍，擺率為10 A/μs，脈沖持續(xù)時(shí)間為150 μs。圖7顯示了VDD_1V8電壓軌的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。上方波形CH2顯示輸出響應(yīng)，下方波形CH4顯示輸出負(fù)載電流。

表4.VCC_3V3電壓軌瞬態(tài)負(fù)載數(shù)據(jù)

圖7.VDD_1V8瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)

表3.VDD_1V8電壓軌瞬態(tài)負(fù)載數(shù)據(jù)

從結(jié)果來看，綜合考慮負(fù)載瞬態(tài)期間的過沖、欠沖以及輸出紋波后，電壓仍處于±5%的推薦工作條件內(nèi)。

電壓軌2：VCC_3V3

VCC_3V3電壓軌與VDD_1V8一起使用LT8653S的第二個(gè)通道。就像VDD_1V8一樣，VCC_3V3電壓軌必須能夠提供1.35 A輸出電流，作為CertusPro-NX FPGA的VCCIO引腳上的電源。還有一個(gè)固定3.3 V輸出的IC選項(xiàng)，該選項(xiàng)帶有一個(gè)內(nèi)部微調(diào)反饋分壓器，因此可實(shí)現(xiàn)高直流精度。圖6中還顯示了原理圖和電路元件值，圖8中顯示了瞬態(tài)響應(yīng)。上方波形CH2顯示輸出響應(yīng)，下方波形CH4顯示輸出負(fù)載電流。表4顯示了瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)結(jié)果，綜合考慮過沖、欠沖以及輸出紋波情況后，電壓仍保持在±5%的推薦工作條件內(nèi)。

圖8.VCC_3V3電壓軌負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

電壓軌7：VCC_ADJ

VCC_ADJ電壓軌需要1.8 V輸出電壓，并且應(yīng)能向VCCIO和FMC連接器提供最高4 A的輸出電流。設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵循了應(yīng)用輸出負(fù)載電流的±3%總輸出電壓誤差，以確保符合推薦的工作條件。

為實(shí)現(xiàn)高直流精度，使用了內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。該器件的誤差放大器配置1.8 V反饋基準(zhǔn)電壓，以補(bǔ)償電阻值和容差。

使用高擺率電流階躍評(píng)估電壓軌瞬態(tài)響應(yīng)，以確保運(yùn)行期間的輸出電壓始終保持在容差限值范圍內(nèi)。階躍負(fù)載設(shè)置為0 A至1 A階躍，擺率為10 A/μs，脈沖持續(xù)時(shí)間為150 μs。圖9顯示了VDD_1V8電壓軌的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。上方波形CH2顯示輸出響應(yīng)，下方波形CH4顯示輸出負(fù)載電流。

圖9.VCC_ADJ瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)

表5.VDD_1V8電壓軌瞬態(tài)負(fù)載數(shù)據(jù)

從結(jié)果來看，綜合考慮負(fù)載瞬態(tài)期間的過沖、欠沖以及輸出紋波后，電壓仍處于±5%的推薦工作條件內(nèi)，優(yōu)于目標(biāo)值3%。

電壓軌8：VDD_3V3

VDD_3V3電壓軌必須能夠提供3 A輸出電流，作為CertusPro-NX FPGA板的FMC連接器引腳的電源。瞬態(tài)響應(yīng)如圖11所示。上方波形CH2顯示輸出響應(yīng)，下方波形CH4顯示輸出負(fù)載電流。表6顯示了瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)結(jié)果，綜合考慮過沖、欠沖以及輸出紋波情況后，電壓仍保持在±3%的推薦工作條件內(nèi)。

圖10.VDD_3V3電壓軌負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

表6.VDD_3V3電壓軌瞬態(tài)負(fù)載數(shù)據(jù)

μModule解決方案設(shè)計(jì)

與上文中分立設(shè)計(jì)的相同規(guī)范也適用于μModule建議方案，因此這里不再詳細(xì)討論。μModule解決方案通過犧牲一些性能來換取更小的布局尺寸。下表顯示了相同的樣本點(diǎn)以做比較。

可從ADI公司客戶辦公室解決方案部門獲取所有電壓軌的完整數(shù)據(jù)，表7中選定的一些電壓軌顯示了1.35 A LTM8078和3 A/4 A LTM4625輸出的典型代表性能。

表7. μModule設(shè)計(jì)效率和紋波性能數(shù)據(jù)

電壓軌1：VDD_1V8

通道1電壓軌使用0.1%電阻來確保符合應(yīng)用的直流和瞬態(tài)總?cè)莶钤Ａ恳蟆D11顯示了最壞情況負(fù)載階躍下捕獲的波形數(shù)據(jù)，表8匯總了所捕獲的游標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖11.VDD_1V8瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)

表8.VDD_1V8電壓軌瞬態(tài)負(fù)載數(shù)據(jù)

電壓軌2：VCC_3V3

VCC_3V3電壓軌（LTM8078的通道2）也使用了0.1%電阻來確保符合應(yīng)用的電壓裕量要求。圖12顯示了最壞情況負(fù)載階躍下捕獲的波形數(shù)據(jù)，表9匯總了所捕獲的游標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖12.VCC_3V3瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)

表9.VCC_3V3電壓軌瞬態(tài)負(fù)載數(shù)據(jù)

電壓軌7：VCC_ADJ

圖13.VCC_ADJ瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)

LTM4625通道1電壓軌使用標(biāo)準(zhǔn)1%電阻來確保符合應(yīng)用的直流要求和瞬態(tài)總?cè)莶钤Ａ恳?。圖13顯示了最壞情況負(fù)載階躍下捕獲的波形數(shù)據(jù)，表10匯總了所捕獲的游標(biāo)數(shù)據(jù)。

表10.VCC_ADJ電壓軌瞬態(tài)負(fù)載數(shù)據(jù)

電壓軌8：VDD_3V3

VDD_3V3電壓軌（LTM3625的通道2）也使用了1%電阻來確保符合應(yīng)用的電壓裕量要求。圖14顯示了最壞情況負(fù)載階躍下捕獲的波形數(shù)據(jù)，表11匯總了所捕獲的游標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖14.1VDD_3V3瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)

表11.VDD_3V3電壓軌瞬態(tài)負(fù)載數(shù)據(jù)

結(jié)論

在設(shè)計(jì)健全的電源架構(gòu)時(shí)，需要謹(jǐn)慎平衡尺寸、性能和成本這三方面要素。任何的CertusPro-NX平臺(tái)都可以從兩種設(shè)計(jì)方案中挑選到更適合的選項(xiàng)。如前所述，兩種設(shè)計(jì)方案中所有電壓軌的效率、紋波和瞬態(tài)等完整數(shù)據(jù)均可應(yīng)要求提供。結(jié)果表明，分立式設(shè)計(jì)或模塊式設(shè)計(jì)方法都能夠滿足CertusPro-NX對(duì)性能參數(shù)的要求，并且還留有余量。任何用于未來的設(shè)計(jì)都應(yīng)該采用更適合目標(biāo)市場(chǎng)的方法。本文對(duì)數(shù)據(jù)集和設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了仔細(xì)分析，作者希望能由此幫助設(shè)計(jì)人員更有把握地實(shí)現(xiàn)Lattice FPGA電源集成，也希望設(shè)計(jì)工程師、系統(tǒng)架構(gòu)師和項(xiàng)目經(jīng)理等相關(guān)人員都可以對(duì)與電源器件和拓?fù)溥x擇相關(guān)的權(quán)衡產(chǎn)生共同的理解。無論具體設(shè)計(jì)規(guī)范要求優(yōu)先考慮什么，ADI都可以針對(duì)特定標(biāo)準(zhǔn)，定制出更合適的電源解決方案。