三輸出和雙輸出微型模塊穩(wěn)壓器對基于FPGA的系統(tǒng)優(yōu)化方案

盡管 FPGA 的通用和可配置特性對系統(tǒng)設(shè)計師來說很有吸引力，但是影響這些器件內(nèi)部運行方式及其外部接口協(xié)議的設(shè)計規(guī)則非常復雜，需要大量的培訓、參考設(shè)計評估、設(shè)計仿真和驗證。因此，F(xiàn)PGA 供應商提供詳細的硬件和固件支持，以幫助系統(tǒng)設(shè)計師設(shè)法應對數(shù)字領(lǐng)域的新挑戰(zhàn)。不過，模擬領(lǐng)域錯綜復雜，難以理解，尤其在用 DC/DC 穩(wěn)壓器為內(nèi)核、I/O、存儲器、時鐘和其它軌供電和提供穩(wěn)定電壓這一塊，需要新的解決方案。例如，今天的 FPGA 及支持組件需要多個電壓軌。為了高效率和以最小的空間為每個軌供電，要求一個 DC/DC 穩(wěn)壓器電路平均含有 10 個組件 (電感器、MOSFET、電容器、DC/DC 穩(wěn)壓器等)。僅為一個 6 軌 FPGA 供電，也許就需要多達 60 個組件。除了用料單中列出用于 FPGA 供電的一長串組件以外，還有與組件插入、可靠性、PCB 復雜性以及更多因素有關(guān)的隱藏成本。現(xiàn)在，是 DC/DC 制造商提高產(chǎn)品性能標準的時候了。

管理多個電壓軌

較舊的幾代 FPGA 需要兩或 3 個電源軌?，F(xiàn)在，一些高端多核器件需要多達 7 個軌，既有 3.3V 傳統(tǒng)電源軌，也有最近出現(xiàn)的從 2.8V 直到 1.0V 及更低電壓的較低電壓軌。此外，還為存儲器、網(wǎng)絡(luò)處理器、圖形處理器、數(shù)?；?a href="http://ttokpm.com/tags/模數(shù)轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">模數(shù)轉(zhuǎn)換器、以及運算放大器和 RF IC 等非 FPGA 器件提供了其它一些電壓軌。

確保具有多個電壓軌的系統(tǒng)“干凈”地啟動，而軌之間相互沒有任何沖突，這是配備排序和跟蹤功能的 DC/DC 穩(wěn)壓器的關(guān)鍵任務(wù)。簡單地說，每個穩(wěn)壓器必須能夠跟蹤其它穩(wěn)壓器的輸出電壓。好消息是，從幾年前開始，F(xiàn)PGA 就不需要對其多個軌進行任何排序了。不過，系統(tǒng)內(nèi)跨不同部分的幾個電壓的順序斜坡上升或斜坡下降仍然是需要的，以防止電壓軌變化太快或太慢時可能發(fā)生的鎖斷。

過去，電源軌的跟蹤和排序任務(wù)由單獨的電源管理 IC 完成。今天，設(shè)計師要求排序和跟蹤功能嵌入到穩(wěn)壓器中，尤其是當穩(wěn)壓器必須位于系統(tǒng)的不同角落時，更是這樣。
降低電壓紋波噪聲和電容器要求

在非便攜式應用中，隨著對壓降和電流要求的提高，在選擇 DC/DC 穩(wěn)壓器時，散熱和運行效率也變成了更加重要的因素。在便攜式應用中，盡管每個軌的負載電流較低，但是在節(jié)省電池能量和簡化便攜式產(chǎn)品的熱量管理方面，運行和備用效率仍然是重要因素。

無論是在便攜式還是非便攜式應用中，尤其是對于大功率需求來說，與線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)模式 DC/DC 穩(wěn)壓器可提供較高性能的解決方案。例如，一個開關(guān)穩(wěn)壓器從 3.3V 輸入電源、以 90% 的效率提供 1.2V/5A，相比之下線性穩(wěn)壓器效率為 36%；此外，開關(guān)模式穩(wěn)壓器消耗 0.7W 功率，而線性穩(wěn)壓器消耗 10.5W。

另一方面，由于其固有的開關(guān)運行模式，開關(guān)模式穩(wěn)壓器引入開關(guān)噪聲和更高的輸出紋波噪聲 (輸出電壓峰值至峰值紋波)。不幸的是，新型 FPGA 的較低電壓軌和更快的 I/O 信號較精準的眼圖對電源“噪聲”的承受能力較低。為了減輕紋波噪聲，可以給電路增加更多的輸入和輸出電容器，以降低峰值至峰值紋波電壓。不過，降低開關(guān)噪聲更具有挑戰(zhàn)性。一種可能的方法是，讓 DC/DC 穩(wěn)壓器的運行頻率與一個外部時鐘同步，該外部時鐘迫使穩(wěn)壓器在一個設(shè)定的頻率范圍內(nèi)運行，這些頻率的選擇原則是：對系統(tǒng)中其它噪聲敏感器件的干擾最小。當幾個開關(guān)模式穩(wěn)壓器都同步至一個對系統(tǒng)其余部分很安全的時鐘頻率時，這種方法尤其有效。
這些方法有助于設(shè)計較低噪聲的開關(guān)模式負載點穩(wěn)壓器，不過，如果 DC/DC 穩(wěn)壓器是從零開始以合適的架構(gòu)、功能和布局設(shè)計的，那么噪聲問題可以極大地減輕。這樣的穩(wěn)壓器最大限度地減輕了對電容器、濾波和 EMI (電磁干擾) 屏蔽的依賴。

降低高度以實現(xiàn)更好的空氣流動

人們迫切需要縮小基于 FPGA 的系統(tǒng)的尺寸，同時要增加功能、存儲器存儲容量或計算功率，這促使設(shè)計師改進用來冷卻組件的方法。一種簡單的方法是，在組件上方提供高效率的空氣流動。高的組件遮擋了 FPGA 或存儲器 IC 等較纖巧封裝上方的空氣流動。在預制 DC/DC 負載點穩(wěn)壓器的情況下，遮擋非常嚴重，因為這些器件的高度達到了 FPGA 和其它 IC 高度的 6 至 10 倍。

在從封裝頂部高效率散出內(nèi)部產(chǎn)生的熱量方面，F(xiàn)PGA 的纖巧 BGA 封裝極其有用。當預制 DC/DC 穩(wěn)壓器等較高的器件阻礙空氣流動并在其附近的組件上投下“陰影”時，這種好處就減小了。
少用 50% 的組件：三輸出和雙輸出微型模塊穩(wěn)壓器

一個新款和具有多個輸出和輸入的 DC/DC 微型模塊 (uModule?) 穩(wěn)壓器系統(tǒng)級產(chǎn)品系列被設(shè)計為不僅可減少組件數(shù)量，而且可降低與組件插入 PCB 有關(guān)的成本、消除布局錯誤并提供一個已經(jīng)做好的完整解決方案，從而減輕了任何數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計師的工作負擔。

就 FPGA 和基于 FPGA 的系統(tǒng)所使用的 DC/DC 穩(wěn)壓器電路而言，與分立式解決方案相比，除了材料成本降低 50%，所占用的 PCB 面積也減小了 10%，這個系列的多個輸出 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器都有以下優(yōu)勢：

1.?電流模式架構(gòu)可以非常精確地逐個脈沖提供輸出負載電流
2.?對輸出進行均流的功能提高了單個微型模塊穩(wěn)壓器的輸出功率
3.?微型模塊至微型模塊器件的輸出均流功能進一步提高了輸出功率
4.?分享輸入功率：例如，雙通道 8A LTM?4616 可以同時由 3.3V 和 5V 軌供電，以在如果一個輸入電源無法提供充足的功率時，可同時分享兩個單獨輸入電源的功率 (參見數(shù)據(jù)表以獲得詳細信息)

另外，這個系列的雙通道和三輸出 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器解決了之前提到的一些問題：

1.?管理多個 FPGA 或系統(tǒng)軌

這些 DC/DC 微型模塊器件具有跟蹤和/或排序功能，以正確啟動具電源排序限制的系統(tǒng)或使其停機。

2.?降低電壓紋波噪聲和對電容器的要求

每個微型模塊器件都含有內(nèi)部輸出和輸入旁路電容器。此外，每個器件用非常低ESR的輸出電容器都可以穩(wěn)定，因此用戶可以選擇輸出電容器的類型和值，以優(yōu)化輸出紋波 (有時稱為“噪聲”)。

3.?降低器件高度以使空氣更好地流通

這個系列的雙通道和三輸出微型模塊穩(wěn)壓器高度僅為 2.8mm，允許空氣順利流動，可以更好地去除穩(wěn)壓器及其附近組件的熱量。這個系列的成員之一是 LTM4615，該器件是一個完整的三輸出 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系統(tǒng)，含有兩個 4A 開關(guān)模式穩(wěn)壓器和一個 1.5A 的非常低壓差 (VLDO?) 穩(wěn)壓器，采用纖巧 15mm x 15mm x 2.8mm 表面貼裝封裝。兩個開關(guān)穩(wěn)壓器中每一個的穩(wěn)定輸出電壓都可在 0.8V 至 5V 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，第三個輸出可在 0.4V 至 2.6V 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，這適合為新一代較低電壓、多軌、尺寸非常小的數(shù)字 IC 供電。另一個產(chǎn)品是 LTM4619，該器件可用高達 26.5V 的輸入電源工作。表 1 列出了這個雙通道和三通道微型模塊穩(wěn)壓器系列的所有成員。

圖 1：三輸出 LTM4615 是一個完整的封裝系統(tǒng)，其兩個 4A 和一個 1.5A 輸出為穩(wěn)壓器的三個電壓而優(yōu)化，采用 5V 或 3.3V 輸入軌

圖 2：雙輸出 LTM4619 從高達 26.5V 的輸入電源提供 4A 電流 (15mm x 15mm x 2.8mm LGA)
表 1：三通道和雙通道 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器

結(jié)論

凌力爾特公司在 DC/DC 穩(wěn)壓器架構(gòu)和封裝領(lǐng)域的創(chuàng)新已經(jīng)使得新一代負載點解決方案能夠滿足基于 FPGA 的系統(tǒng)提出的更嚴格的要求。這個微型模塊 DC/DC 穩(wěn)壓器系列 (表 1) 由多輸出產(chǎn)品組成，這些產(chǎn)品具有各種功率級和功能 (參見 )。這些器件的可靠性還為多芯片封裝領(lǐng)域創(chuàng)立了新的標準，凌力爾特公司嚴格的合格性驗證以及嚴格的測試保證了這些器件的可靠性。微型模塊 DC/DC 解決方案正為新一代 FPGA 和基于 FPGA 的系統(tǒng)在較小的工藝尺寸上提升其性能鋪平了道路。