【導讀】現代現場可編程門陣列(FPGA)系列（如Lattice Semiconductor CertusPro?-NX）適用面廣泛，但需滿足根據特定市場驅動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評估板的解決方案，同時針對特定需求闡明了各種解決方案實現優化的原理和原因。μModule?電源解決方案尺寸小巧、設計簡單，為FPGA系統提供了一種非常實用的設計方法，但還有其他選項可供電源系統架構師考慮。
簡介
Lattice Semiconductor CertusPro-NX評估板旨在方便用戶研究和試驗CertusPro-NX FPGA的特性。其特性可以幫助用戶快速制作原型和測試特定設計。該評估系統包括了片上穩壓器，用于為FPGA提供電源選項。大多數的電源軌都可以根據用戶的喜好進行選擇。
本文旨在為Lattice Semiconductor CertusPro-NX FPGA評估板的每個電源選項提供更新的電源建議。考慮到設計復雜性、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、性能更優的電源產品。通常，評估板會設計能夠展示FPGA完整特性集的電源架構。這種方法對于評估是必要的，但可能不適用于不需要全部性能的系統。對于那些針對小物理尺寸電路板進行優化的縮小版實現方案來說，這種電源架構可能太大了。哪種解決方案更適合特定的CertusPro-NX應用，將取決于系統架構師認為該特定項目應更優先考慮哪些因素。
分立解決方案由專用電源IC和外圍電源器件組成，這類方案側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中，ADI公司的μModule解決方案可帶來常規布局無法實現的無與倫比的能量密度，同時仍具有超越現有CertusPro-NX參考設計的性能優勢。此參考設計在這方面具有專業優勢，支持系統架構師根據其對預期的平臺設計目標和限制條件的深入了解，選擇需要整合到平臺中的電源解決方案版本。架構師可以通過仔細研究兩個版本的數據，慎重權衡相關尺寸、性能和成本，為更大程度地符合項目工程規范而做出更合適的選擇。
CertusPro-NX評估板電源架構
CertusPro-NX評估板的大多數片上穩壓器由外部12 V電源供電。FPGA的每個VCCIO引腳都有默認電源選項，用戶也可以根據其應用的具體情況選擇偏好的電源選項。圖1顯示了連接到FPGA特定VCCIO引腳的可用電壓軌。表1總結了VCCIO引腳可用的電壓選項。
圖1.CertusPro-NX FPGA VCCIO引腳電壓選項
表1.VCCCIO電源選項
FPGA的VCCIO引腳使用的各個電壓軌均由各種片上穩壓器產生。主電源通過外部12 V直流電源提供，這在CertusPro-NX評估板 用戶指南的第1.4節中進行了討論。圖2顯示了由外部12 V直流電源供電的片上穩壓器所產生的不同電壓輸出軌。LDO穩壓器也用于后調節，以產生較低的電壓，同時降低輸出處的噪聲。
圖2.CertusPro-NX評估板電源方案
推薦電源解決方案架構
穩壓12 V壁式適配器用作評估板的輸入電壓。給定此輸入源和評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穩壓器供電以產生更低電壓，如圖3所示。
圖3.兩次降壓法與單次降壓法
拓撲的選擇將影響效率、各轉換器的開關頻率和解決方案總體尺寸等參數。在每個新的實施方案中都需要仔細考慮這些因素，以優化每個新產品設計的電源架構。此外，可能還需要適當的輸入保護和濾波電路。
CertusPro-NX評估板的兩種電源解決方案在設計時考慮了不同的優先事項，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穩壓器，提供外圍電路，并允許用戶對針對每個電源軌單獨優化器件以獲得最優性能。第二種是采用ADI μModule技術的全集成解決方案，盡最大可能為應用提供更緊湊、更簡單的布局方案，同時還能提供出色的電源方案性能。
LTPowerPlanner?是一種支持優化系統級電源樹的工具，其中提供了CertusPro-NX評估板的新型電源解決方案架構。LTpowerCAD?可用來為每個選定的DC-DC IC提供詳細的電路方案，包括根據輸入的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網頁下載。此網頁還提供了入門文檔、培訓材料和視頻。
分立電源解決方案
分立電源解決方案支持設計人員針對特定解決方案優化外部電路元件，從而為每個電壓軌提供更優的獨立DC-DC穩壓器性能。與現有電源解決方案相比，新推薦的分立電源解決方案實現了顯著的性能改進。所有DC-DC穩壓器都使用同步內部開關來更大限度地提高效率，同時仍保持緊湊的設計和出色的EMI性能。圖4為CertusPro-NX評估板的分立解決方案電源樹。
開關穩壓器
LT8653S
LT8653S 采用第二代Silent Switcher?架構，更大限度地降低了EMI輻射，同時可在高開關頻率下實現高效率。 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。根據這些要求，ADP2387 被確定為該應用的理想候選器件。
線性穩壓器
MAX38903C
MAX38903C在CertusPro-NX評估板的1 V電壓軌上用作后置穩壓器，以抑制高噪聲。該器件是一款低噪聲線性穩壓器，可提供高達1 A的輸出電流，在10 Hz至100 kHz范圍內的輸出噪聲僅為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低壓差線性穩壓器，輸出電壓為1.8 V，輸出電流高達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1 A的小巧外形應用提供出色的熱性能，因而也十分適用于CertusPro-NX評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，可以進一步縮小并簡化模塊相關解決方案，并且還不會犧牲性能質量。ADI公司的μModule穩壓器和DC-DC電源產品是完整的系統級封裝(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、補償元件以及電感。μModule電源產品支持降壓、降壓-升壓、電池充電器、隔離式轉換器和LED驅動器等功能。
圖5為使用μModule器件的CertusPro-NX評估板的電源解決方案樹。外部12 V輸入電源之后的第一級是μModule DC-DC穩壓器陣列。下一級由線性穩壓器組成。μModule設計（圖5）和分立解決方案（圖4）選擇了相同的線性穩壓器。
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
開關穩壓器模塊
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穩壓器。 Silent Switcher架構可進一步降低EMI，同時在高達3 MHz的頻率下實現高效率運行。封裝中內置控制器、功率開關、電感和其他相關元件。器件的輸入電壓工作范圍較寬，開關頻率范圍為300 kHz至3 MHz（由單個電阻設置），只需使用輸入和輸出濾波器體電容就可以完成設計。因此，該器件也是CertusPro-NX評估板電源解決方案的理想選擇。
LTM4625
LTM4625 是一款完整的5 A降壓型開關模式μModule穩壓器，采用小型6.25 mm × 6.25 mm × 5.01 mm BGA封裝。 其高效率設計提供高達5 A的連續輸出電流。僅需要大容量輸入和輸出電容。該器件提供高開關頻率和電流模式控制，可以對線路和負載變化作出快速瞬態響應，而不會降低穩定性。
LTM8078和LTM4625 μModule開關穩壓器提供了更簡單的優質解決方案，消除了復雜性并避免了空間限制。
CertusPro-NX評估板電源解決方案設計詳細說明
分立解決方案設計
根據CertusPro-NX FPGA 數據手冊所述的推薦工作條件，電源電壓應在典型值的±5%以內。在設計中，由反饋電阻和穩壓器VREF電壓的容差帶來的直流輸出誤差、輸出電壓紋波和負載瞬態響應已經考慮在該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。
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據，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.分立設計效率和紋波性能數據
電壓軌1：VDD_1V8
此電壓軌需要1.8 V輸出電壓，并且應能提供高達1.35 A的輸出電流。使用LT8653S的一個通道可以滿足這一要求。設計中嚴格遵循了應用輸出負載電流的±5%總輸出電壓誤差，以確保符合推薦的工作條件。
為實現高直流精度，使用了內部基準電壓源。該器件的通道配置為1.8 V反饋基準電壓，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。
在評估電壓軌以確保輸出處于推薦工作條件范圍內的過程中，以非常快速且非常高的負載階躍作為激勵來評估負載瞬態響應。階躍負載設置為0 A至1 A階躍，擺率為10 A/μs，脈沖持續時間為150 μs。圖7顯示了VDD_1V8電壓軌的瞬態負載響應。上方波形CH2顯示輸出響應，下方波形CH4顯示輸出負載電流。
表4.VCC_3V3電壓軌瞬態負載數據
圖7.VDD_1V8瞬態負載響應
表3.VDD_1V8電壓軌瞬態負載數據
從結果來看，綜合考慮負載瞬態期間的過沖、欠沖以及輸出紋波后，電壓仍處于±5%的推薦工作條件內。
電壓軌2：VCC_3V3
VCC_3V3電壓軌與VDD_1V8一起使用LT8653S的第二個通道。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。還有一個固定3.3 V輸出的IC選項，該選項帶有一個內部微調反饋分壓器，因此可實現高直流精度。圖6中還顯示了原理圖和電路元件值，圖8中顯示了瞬態響應。上方波形CH2顯示輸出響應，下方波形CH4顯示輸出負載電流。表4顯示了瞬態負載響應結果，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。
圖8.VCC_3V3電壓軌負載瞬態響應
電壓軌7：VCC_ADJ
VCC_ADJ電壓軌需要1.8 V輸出電壓，并且應能向VCCIO和FMC連接器提供最高4 A的輸出電流。設計中嚴格遵循了應用輸出負載電流的±3%總輸出電壓誤差，以確保符合推薦的工作條件。
為實現高直流精度，使用了內部基準電壓源。該器件的誤差放大器配置1.8 V反饋基準電壓，以補償電阻值和容差。
使用高擺率電流階躍評估電壓軌瞬態響應，以確保運行期間的輸出電壓始終保持在容差限值范圍內。階躍負載設置為0 A至1 A階躍，擺率為10 A/μs，脈沖持續時間為150 μs。圖9顯示了VDD_1V8電壓軌的瞬態負載響應。上方波形CH2顯示輸出響應，下方波形CH4顯示輸出負載電流。
圖9.VCC_ADJ瞬態負載響應
表5.VDD_1V8電壓軌瞬態負載數據
從結果來看，綜合考慮負載瞬態期間的過沖、欠沖以及輸出紋波后，電壓仍處于±5%的推薦工作條件內，優于目標值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。瞬態響應如圖11所示。上方波形CH2顯示輸出響應，下方波形CH4顯示輸出負載電流。表6顯示了瞬態負載響應結果，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。
圖10.VDD_3V3電壓軌負載瞬態響應
表6.VDD_3V3電壓軌瞬態負載數據
μModule解決方案設計
與上文中分立設計的相同規范也適用于μModule建議方案，因此這里不再詳細討論。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據，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設計效率和紋波性能數據
電壓軌1：VDD_1V8
通道1電壓軌使用0.1%電阻來確保符合應用的直流和瞬態總容差裕量要求。圖11顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數據，表8匯總了所捕獲的游標數據。
圖11.VDD_1V8瞬態負載響應
表8.VDD_1V8電壓軌瞬態負載數據
電壓軌2：VCC_3V3
VCC_3V3電壓軌（LTM8078的通道2）也使用了0.1%電阻來確保符合應用的電壓裕量要求。圖12顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數據，表9匯總了所捕獲的游標數據。
圖12.VCC_3V3瞬態負載響應
表9.VCC_3V3電壓軌瞬態負載數據
電壓軌7：VCC_ADJ
圖13.VCC_ADJ瞬態負載響應
LTM4625通道1電壓軌使用標準1%電阻來確保符合應用的直流要求和瞬態總容差裕量要求。圖13顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數據，表10匯總了所捕獲的游標數據。
表10.VCC_ADJ電壓軌瞬態負載數據
電壓軌8：VDD_3V3
VDD_3V3電壓軌（LTM3625的通道2）也使用了1%電阻來確保符合應用的電壓裕量要求。圖14顯示了最壞情況負載階躍下捕獲的波形數據，表11匯總了所捕獲的游標數據。
圖14.1VDD_3V3瞬態負載響應
表11.VDD_3V3電壓軌瞬態負載數據
結論
在設計健全的電源架構時，需要謹慎平衡尺寸、性能和成本這三方面要素。任何的CertusPro-NX平臺都可以從兩種設計方案中挑選到更適合的選項。如前所述，兩種設計方案中所有電壓軌的效率、紋波和瞬態等完整數據均可應要求提供。結果表明，分立式設計或模塊式設計方法都能夠滿足CertusPro-NX對性能參數的要求，并且還留有余量。任何用于未來的設計都應該采用更適合目標市場的方法。本文對數據集和設計理念進行了仔細分析，作者希望能由此幫助設計人員更有把握地實現Lattice FPGA電源集成，也希望設計工程師、系統架構師和項目經理等相關人員都可以對與電源器件和拓撲選擇相關的權衡產生共同的理解。無論具體設計規范要求優先考慮什么，ADI都可以針對特定標準，定制出更合適的電源解決方案。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
James R. Staley是ADI公司的工業電源系統工程經理。他畢業于北卡羅來納州立大學，為Eta Kappa Nu榮譽學會會員，擁有納米技術電子工程學士學位，已在半導體行業工作超過20年。他曾在凌力爾特公司和ADI公司擔任應用工程、銷售應用工程和系統工程等多個職位。他目前主要負責工業和精密儀器電源系統相關工作。James及其家人居住在北卡羅來納州區羅利市。
Matthias Bust于2007年加入ADI公司，目前在客戶辦公室解決方案團隊中擔任電源產品專家。Matthias此前也曾是ADI的汽車電源產品系統經理，還曾作為現場應用工程師為所有市場領域的客戶提供過服務。他擁有超過30年的行業經驗，曾在電信和激光行業的硬件/軟件設計、系統工程和供應鏈管理領域擔任過多個職位Matthias畢業于德國伊爾梅瑙工業大學，擁有電子工程和信息技術專業的畢業證書。
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