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三输出和双输出微型模块稳压器对基于FPGA的系统优化方案

2017年12月07日 15:09 次阅读

尽管 FPGA 的通用和可配置特性对系统设计师来说很有吸引力,但是影响这些器件内部运行方式及其外部接口协议的设计规则非常复杂,需要大量的培训、参考设计评估、设计仿真和验证。因此,FPGA 供应商提供详细的硬件和固件支持,以帮助系统设计师设法应对数字领域的新挑战。不过,模拟领域错综复杂,难以理解,尤其在用 DC/DC 稳压器为内核、I/O、存储器、时钟和其它轨供电和提供稳定电压这一块,需要新的解决方案。例如,今天的 FPGA 及支持组件需要多个电压轨。为了高效率和以最小的空间为每个轨供电,要求一个 DC/DC 稳压器电路平均含有 10 个组件 (电感器、MOSFET、电容器、DC/DC 稳压器等)。仅为一个 6 轨 FPGA 供电,也许就需要多达 60 个组件。除了用料单中列出用于 FPGA 供电的一长串组件以外,还有与组件插入、可靠性、PCB 复杂性以及更多因素有关的隐藏成本。现在,是 DC/DC 制造商提高产品性能标准的时候了。

管理多个电压轨

较旧的几代 FPGA 需要两或 3 个电源轨。现在,一些高端多核器件需要多达 7 个轨,既有 3.3V 传统电源轨,也有最近出现的从 2.8V 直到 1.0V 及更低电压的较低电压轨。此外,还为存储器、网络处理器、图形处理器、数模或模数转换器、以及运算放大器和 RF IC 等非 FPGA 器件提供了其它一些电压轨。

确保具有多个电压轨的系统“干净”地启动,而轨之间相互没有任何冲突,这是配备排序和跟踪功能的 DC/DC 稳压器的关键任务。简单地说,每个稳压器必须能够跟踪其它稳压器的输出电压。好消息是,从几年前开始,FPGA 就不需要对其多个轨进行任何排序了。不过,系统内跨不同部分的几个电压的顺序斜坡上升或斜坡下降仍然是需要的,以防止电压轨变化太快或太慢时可能发生的锁断。

过去,电源轨的跟踪和排序任务由单独的电源管理 IC 完成。今天,设计师要求排序和跟踪功能嵌入到稳压器中,尤其是当稳压器必须位于系统的不同角落时,更是这样。
降低电压纹波噪声和电容器要求

在非便携式应用中,随着对压降和电流要求的提高,在选择 DC/DC 稳压器时,散热和运行效率也变成了更加重要的因素。在便携式应用中,尽管每个轨的负载电流较低,但是在节省电池能量和简化便携式产品的热量管理方面,运行和备用效率仍然是重要因素。

无论是在便携式还是非便携式应用中,尤其是对于大功率需求来说,与线性稳压器相比,开关模式 DC/DC 稳压器可提供较高性能的解决方案。例如,一个开关稳压器从 3.3V 输入电源、以 90% 的效率提供 1.2V/5A,相比之下线性稳压器效率为 36%;此外,开关模式稳压器消耗 0.7W 功率,而线性稳压器消耗 10.5W。

另一方面,由于其固有的开关运行模式,开关模式稳压器引入开关噪声和更高的输出纹波噪声 (输出电压峰值至峰值纹波)。不幸的是,新型 FPGA 的较低电压轨和更快的 I/O 信号较精准的眼图对电源“噪声”的承受能力较低。为了减轻纹波噪声,可以给电路增加更多的输入和输出电容器,以降低峰值至峰值纹波电压。不过,降低开关噪声更具有挑战性。一种可能的方法是,让 DC/DC 稳压器的运行频率与一个外部时钟同步,该外部时钟迫使稳压器在一个设定的频率范围内运行,这些频率的选择原则是:对系统中其它噪声敏感器件的干扰最小。当几个开关模式稳压器都同步至一个对系统其余部分很安全的时钟频率时,这种方法尤其有效。
这些方法有助于设计较低噪声的开关模式负载点稳压器,不过,如果 DC/DC 稳压器是从零开始以合适的架构、功能和布局设计的,那么噪声问题可以极大地减轻。这样的稳压器最大限度地减轻了对电容器、滤波和 EMI (电磁干扰) 屏蔽的依赖。

降低高度以实现更好的空气流动

人们迫切需要缩小基于 FPGA 的系统的尺寸,同时要增加功能、存储器存储容量或计算功率,这促使设计师改进用来冷却组件的方法。一种简单的方法是,在组件上方提供高效率的空气流动。高的组件遮挡了 FPGA 或存储器 IC 等较纤巧封装上方的空气流动。在预制 DC/DC 负载点稳压器的情况下,遮挡非常严重,因为这些器件的高度达到了 FPGA 和其它 IC 高度的 6 至 10 倍。

在从封装顶部高效率散出内部产生的热量方面,FPGA 的纤巧 BGA 封装极其有用。当预制 DC/DC 稳压器等较高的器件阻碍空气流动并在其附近的组件上投下“阴影”时,这种好处就减小了。
少用 50% 的组件:三输出和双输出微型模块稳压器

一个新款和具有多个输出和输入的 DC/DC 微型模块 (uModule®) 稳压器系统级产品系列被设计为不仅可减少组件数量,而且可降低与组件插入 PCB 有关的成本、消除布局错误并提供一个已经做好的完整解决方案,从而减轻了任何数字系统设计师的工作负担。

就 FPGA 和基于 FPGA 的系统所使用的 DC/DC 稳压器电路而言,与分立式解决方案相比,除了材料成本降低 50%,所占用的 PCB 面积也减小了 10%,这个系列的多个输出 DC/DC 微型模块稳压器都有以下优势:

1. 电流模式架构可以非常精确地逐个脉冲提供输出负载电流
2. 对输出进行均流的功能提高了单个微型模块稳压器的输出功率
3. 微型模块至微型模块器件的输出均流功能进一步提高了输出功率
4. 分享输入功率:例如,双通道 8A LTM®4616 可以同时由 3.3V 和 5V 轨供电,以在如果一个输入电源无法提供充足的功率时,可同时分享两个单独输入电源的功率 (参见数据表以获得详细信息)

另外,这个系列的双通道和三输出 DC/DC 微型模块稳压器解决了之前提到的一些问题:

1. 管理多个 FPGA 或系统轨

这些 DC/DC 微型模块器件具有跟踪和/或排序功能,以正确启动具电源排序限制的系统或使其停机。

2. 降低电压纹波噪声和对电容器的要求

每个微型模块器件都含有内部输出和输入旁路电容器。此外,每个器件用非常低ESR的输出电容器都可以稳定,因此用户可以选择输出电容器的类型和值,以优化输出纹波 (有时称为“噪声”)。

3. 降低器件高度以使空气更好地流通

这个系列的双通道和三输出微型模块稳压器高度仅为 2.8mm,允许空气顺利流动,可以更好地去除稳压器及其附近组件的热量。这个系列的成员之一是 LTM4615,该器件是一个完整的三输出 DC/DC 微型模块稳压器系统,含有两个 4A 开关模式稳压器和一个 1.5A 的非常低压差 (VLDO) 稳压器,采用纤巧 15mm x 15mm x 2.8mm 表面贴装封装。两个开关稳压器中每一个的稳定输出电压都可在 0.8V 至 5V 的范围内调节,第三个输出可在 0.4V 至 2.6V 的范围内调节,这适合为新一代较低电压、多轨、尺寸非常小的数字 IC 供电。另一个产品是 LTM4619,该器件可用高达 26.5V 的输入电源工作。表 1 列出了这个双通道和三通道微型模块稳压器系列的所有成员。

三输出和双输出微型模块稳压器对基于FPGA的系统优化方案

图 1:三输出 LTM4615 是一个完整的封装系统,其两个 4A 和一个 1.5A 输出为稳压器的三个电压而优化,采用 5V 或 3.3V 输入轨

三输出和双输出微型模块稳压器对基于FPGA的系统优化方案

图 2:双输出 LTM4619 从高达 26.5V 的输入电源提供 4A 电流 (15mm x 15mm x 2.8mm LGA)
表 1:三通道和双通道 DC/DC 微型模块稳压器

三输出和双输出微型模块稳压器对基于FPGA的系统优化方案

结论

凌力尔特公司在 DC/DC 稳压器架构和封装领域的创新已经使得新一代负载点解决方案能够满足基于 FPGA 的系统提出的更严格的要求。这个微型模块 DC/DC 稳压器系列 (表 1) 由多输出产品组成,这些产品具有各种功率级和功能 (参见 )。这些器件的可靠性还为多芯片封装领域创立了新的标准,凌力尔特公司严格的合格性验证以及严格的测试保证了这些器件的可靠性。微型模块 DC/DC 解决方案正为新一代 FPGA 和基于 FPGA 的系统在较小的工艺尺寸上提升其性能铺平了道路。

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发表于 2018-03-16 10:17 603次阅读
使用Xilinx可编程逻辑实现数据中心互连

基于FPGA的伽玛能谱的峰值测量

石油作为一种战略资源,越来越受到世界各国的重视;但石油又是一种不可再生的能源,随着世界经济的不断发展...

发表于 2018-03-16 10:16 108次阅读
基于FPGA的伽玛能谱的峰值测量

FPGA是什么,中国FPGA市场及人才需求

从市场规模来看,全球FPGA近几年基本维持在50亿美元左右。当前,在国家大力支持集成电路产业发展的环...

发表于 2018-03-15 14:23 825次阅读
FPGA是什么,中国FPGA市场及人才需求

在FPGA上跑二值图像膨胀算法程序代码

基于FPGA的二值图像的膨胀算法的实现 Xilinx 突破性技术与产品亮相 OFC 2018,大展光...

发表于 2018-03-14 18:29 362次阅读
在FPGA上跑二值图像膨胀算法程序代码

深度学习框架只为GPU? 答案在这里

目前大多数的机器学习是在处理器上完成的,大多数机器学习软件会针对GPU进行更多的优化,甚至有人认为学...

发表于 2018-03-14 18:29 2397次阅读
深度学习框架只为GPU? 答案在这里

CAN总线结构与CAN总线标准帧

CAN总线规范采用了ISO-OSI(Open System Interconnection Refe...

发表于 2018-03-13 14:09 650次阅读
CAN总线结构与CAN总线标准帧

传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

相信每一个电子工程师在项目开发的过程中都不可避免的要进行方案的调试,除了模拟调试我们还必须进行真机调...

发表于 2018-03-13 13:54 555次阅读
传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

在Pin Planner界面最下面出现的“Node Name”一列中,有我们的3个信号接口,这里“L...

发表于 2018-03-13 10:09 489次阅读
PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

3D图像传感器系统结构包含两只CMOS型图像传感器及缓存图像数据的SDRAM,为了对两只图像传感器...

发表于 2018-03-13 09:55 570次阅读
人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

JTAG模式在线下载FPGA的原理如图7.15所示,PC端的Quartus II软件通过下载线缆将b...

发表于 2018-03-13 09:46 491次阅读
AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

莱迪思半导体公司布推出全新的FPGA设计软件——Lattice Radiant™,适用于需要开发低功...

发表于 2018-03-12 15:52 153次阅读
莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

在进行FPGA学习的时候,我遇到过问题停滞不前,试验没有进展,心情沮丧的时候。那时对底层硬件一无所知...

发表于 2018-03-12 14:18 846次阅读
献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在P...

发表于 2018-03-12 10:35 562次阅读
FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA控制的无人机电源管理系统

工业电子产品的发展趋势是更小的电路板尺寸、更时尚的外形和更具成本效益。由于这些趋势,电子系统设计人员...

发表于 2018-03-12 09:48 2943次阅读
FPGA控制的无人机电源管理系统

三个实例为你展示对二极管压降变化进行补偿

图1显示了在齐纳二极管电路中串联一个二极管,曲线绘制了齐纳二极管的不同电压对应的温度系数。当稳压二极...

发表于 2018-03-10 09:04 593次阅读
三个实例为你展示对二极管压降变化进行补偿

一个电子工程师的硬件初学之路分享

抱着热情,自己后来一点一点地深入的学习fpga,一些常规逻辑电路的设计,包括逻辑门电路、数据选择器、...

发表于 2018-03-09 16:45 656次阅读
一个电子工程师的硬件初学之路分享

初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

各种方案虽然只是初步的了解一些,但是发现这方面虽然有类似SOPC概念的海思和TI双核解决方案,而且是...

发表于 2018-03-09 14:19 651次阅读
初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

主动噪声控制平台的FPGA实现

主动噪声控制平台的FPGA实现。基于FPGA搭建了针对汽车的主动噪声控制平台,此平台可以正确实时地采...

发表于 2018-03-05 10:34 569次阅读
主动噪声控制平台的FPGA实现

学习硬件必须掌握的基础知识点总结

如果你认为这么多书,怎么看都看不完。那是以一种静止、偏面的观点来分析问题了。其实上介绍那么多课,很多...

发表于 2018-03-04 15:28 1172次阅读
学习硬件必须掌握的基础知识点总结

基于FPGA的惯性导航系统设计

惯性导航系统(INS,Inertial Navigation System)也称作惯性参考系统,是一...

发表于 2018-03-04 09:25 83次阅读
基于FPGA的惯性导航系统设计

基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

本文主要介绍了基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设计。利用GPS提供的1pps秒脉冲信号...

发表于 2018-03-02 14:55 310次阅读
基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

Sepic直流稳压器的设计

电子设备正常工作需要良好稳定的直流电源,现如今大部分外部供电电源是交流电,通常由火力发电、水力发电、...

发表于 2018-02-28 09:27 183次阅读
Sepic直流稳压器的设计

基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

由于超级电容器单体性能参数的离散性,当多个单体串联组成电容器组时,在充放电过程中容易造成过充或过放现...

发表于 2018-02-28 08:40 416次阅读
基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

英特尔宣布开始发售英特尔® Stratix® 10 TX FPGA ,这也是业内唯一一款采用 58G...

发表于 2018-02-27 11:55 483次阅读
英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

针对Linux BSP开发的Petalinux,...

本实验工程将介绍如何利在赛灵思异构多处理器产品系列 Zynq UtralScale+ MPSoC ...

发表于 2018-02-27 11:01 4883次阅读
针对Linux BSP开发的Petalinux,...

基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

FIR数字滤波器在数字信号处理的过程中有很好的线性相位和稳定性,被广泛应用于音频处理、语音处理、信息...

发表于 2018-02-26 18:44 228次阅读
基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

如何经济的设计一个新的芯片

我们最近与Bunny Huang进行了有趣的交流,他是硬件大师以及Chumby,NetTV和Nove...

发表于 2018-02-24 10:53 931次阅读
如何经济的设计一个新的芯片

SoC FPGA的DSP能力应对新兴的小型基站需...

虽然推动业界向小型基站转变的因素众多,但可能最重要的是,消费者想要随时随地都能快速有效地连接到服务提...

发表于 2018-02-20 09:21 1300次阅读
SoC FPGA的DSP能力应对新兴的小型基站需...

FPGA基础知识及其工作原理与基本的功能块案例

高端设计工具为少有甚是没有硬件设计技术的工程师和科学家提供现场可编程门阵列(FPGA)。无论你使用图...

发表于 2018-02-17 19:38 1794次阅读
FPGA基础知识及其工作原理与基本的功能块案例

Stratix IV内嵌DPA电路的基本结构分析

不论从哪个角度看,今天的现场可编程门阵列(FPGA),都显得鹤立鸡群,真是非常棒的器件。如果在这个智...

发表于 2018-02-16 17:38 2836次阅读
Stratix IV内嵌DPA电路的基本结构分析

低成本FPGA中实现动态相位调整方案

在FPGA中,动态相位调整(DPA)主要是实现LVDS接口接收时对时钟和数据通道的相位补偿,以达到正...

发表于 2018-02-16 17:32 1495次阅读
低成本FPGA中实现动态相位调整方案