三輸出和雙輸出微型模塊穩(wěn)壓器對(duì)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(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說很有吸引力，但是影響這些器件內(nèi)部運(yùn)行方式及其外部接口協(xié)議的設(shè)計(jì)規(guī)則非常復(fù)雜，需要大量的培訓(xùn)、參考設(shè)計(jì)評(píng)估、設(shè)計(jì)仿真和驗(yàn)證。因此，F(xiàn)PGA 供應(yīng)商提供詳細(xì)的硬件和固件支持，以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師設(shè)法應(yīng)對(duì)數(shù)字領(lǐng)域的新挑戰(zhàn)。不過，模擬領(lǐng)域錯(cuò)綜復(fù)雜，難以理解，尤其在用 DC/DC 穩(wěn)壓器為內(nèi)核、I/O、存儲(chǔ)器、時(shí)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(gè)電壓軌。為了高效率和以最小的空間為每個(gè)軌供電，要求一個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器電路平均含有 10 個(gè)組件 (電感器、MOSFET、電容器、DC/DC 穩(wěn)壓器等)。僅為一個(gè) 6 軌 FPGA 供電，也許就需要多達(dá) 60 個(gè)組件。除了用料單中列出用于 FPGA 供電的一長(zhǎng)串組件以外，還有與組件插入、可靠性、PCB 復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候了。

管理多個(gè)電壓軌

較舊的幾代 FPGA 需要兩或 3 個(gè)電源軌?，F(xiàn)在，一些高端多核器件需要多達(dá) 7 個(gè)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(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)處理器、圖形處理器、數(shù)模或模數(shù)轉(zhuǎn)換器、以及運(yùn)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(gè)電壓軌的系統(tǒng)“干凈”地啟動(dòng)，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(jiǎn)單地說，每個(gè)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(duì)其多個(gè)軌進(jìn)行任何排序了。不過，系統(tǒng)內(nèi)跨不同部分的幾個(gè)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(shí)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(dú)的電源管理 IC 完成。今天，設(shè)計(jì)師要求排序和跟蹤功能嵌入到穩(wěn)壓器中，尤其是當(dāng)穩(wěn)壓器必須位于系統(tǒng)的不同角落時(shí)，更是這樣。

降低電壓紋波噪聲和電容器要求

在非便攜式應(yīng)用中，隨著對(duì)壓降和電流要求的提高，在選擇 DC/DC 穩(wěn)壓器時(shí)，散熱和運(yùn)行效率也變成了更加重要的因素。在便攜式應(yīng)用中，盡管每個(gè)軌的負(fù)載電流較低，但是在節(jié)省電池能量和簡(jiǎn)化便攜式產(chǎn)品的熱量管理方面，運(yùn)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(yīng)用中，尤其是對(duì)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(gè)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(yùn)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(hào)較精準(zhǔn)的眼圖對(duì)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(yùn)行頻率與一個(gè)外部時(shí)鐘同步，該外部時(shí)鐘迫使穩(wěn)壓器在一個(gè)設(shè)定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，這些頻率的選擇原則是：對(duì)系統(tǒng)中其它噪聲敏感器件的干擾最小。當(dāng)幾個(gè)開關(guān)模式穩(wěn)壓器都同步至一個(gè)對(duì)系統(tǒng)其余部分很安全的時(shí)鐘頻率時(shí)，這種方法尤其有效。

這些方法有助于設(shè)計(jì)較低噪聲的開關(guān)模式負(fù)載點(diǎn)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(jì)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(duì)電容器、濾波和 EMI (電磁干擾) 屏蔽的依賴。

降低高度以實(shí)現(xiàn)更好的空氣流動(dòng)

人們迫切需要縮小基于 FPGA 的系統(tǒng)的尺寸，同時(shí)要增加功能、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量或計(jì)算功率，這促使設(shè)計(jì)師改進(jìn)用來冷卻組件的方法。一種簡(jiǎn)單的方法是，在組件上方提供高效率的空氣流動(dòng)。高的組件遮擋了 FPGA 或存儲(chǔ)器 IC 等較纖巧封裝上方的空氣流動(dòng)。在預(yù)制 DC/DC 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的情況下，遮擋非常嚴(yán)重，因?yàn)檫@些器件的高度達(dá)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(dāng)預(yù)制 DC/DC 穩(wěn)壓器等較高的器件阻礙空氣流動(dòng)并在其附近的組件上投下“陰影”時(shí)，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(gè)新款和具有多個(gè)輸出和輸入的 DC/DC 微型模塊 (uModule?) 穩(wěn)壓器系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品系列被設(shè)計(jì)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(cuò)誤并提供一個(gè)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(jì)師的工作負(fù)擔(dān)。

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(gè)系列的多個(gè)輸出 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器都有以下優(yōu)勢(shì)：

1. 電流模式架構(gòu)可以非常精確地逐個(gè)脈沖提供輸出負(fù)載電流

2. 對(duì)輸出進(jìn)行均流的功能提高了單個(gè)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(jìn)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(shí)由 3.3V 和 5V 軌供電，以在如果一個(gè)輸入電源無法提供充足的功率時(shí)，可同時(shí)分享兩個(gè)單獨(dú)輸入電源的功率 (參見數(shù)據(jù)表以獲得詳細(xì)信息)

另外，這個(gè)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(gè) 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(dòng)具電源排序限制的系統(tǒng)或使其停機(jī)。

2. 降低電壓紋波噪聲和對(duì)電容器的要求

每個(gè)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(gè)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(shí)稱為“噪聲”)。

3. 降低器件高度以使空氣更好地流通

這個(gè)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(dòng)，可以更好地去除穩(wěn)壓器及其附近組件的熱量。這個(gè)系列的成員之一是 LTM4615，該器件是一個(gè)完整的三輸出 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系統(tǒng)，含有兩個(gè) 4A 開關(guān)模式穩(wěn)壓器和一個(gè) 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(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器中每一個(gè)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(gè)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(gè)產(chǎn)品是 LTM4619，該器件可用高達(dá) 26.5V 的輸入電源工作。表 1 列出了這個(gè)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(gè)完整的封裝系統(tǒng)，其兩個(gè) 4A 和一個(gè) 1.5A 輸出為穩(wěn)壓器的三個(gè)電壓而優(yōu)化，采用 5V 或 3.3V 輸入軌

圖 2：雙輸出 LTM4619 從高達(dá) 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(fù)載點(diǎn)解決方案能夠滿足基于 FPGA 的系統(tǒng)提出的更嚴(yán)格的要求。這個(gè)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(jí)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(biāo)準(zhǔn)，凌力爾特公司嚴(yán)格的合格性驗(yàn)證以及嚴(yán)格的測(cè)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。