现场可编程门阵列 (FPGA) 电源设计

现场可编程门阵列 （FPGA） 用于各种信号处理应用，但工程师必须确保高精度以支持硬件的广泛需求。为现代 FGPA 设计电源时，外形尺寸和热性能是需要考虑的两个因素。

氮化镓 （GaN） 是一种宽带隙 （WBG） 材料，可用于制造二极管和晶体管等半导体器件，但其外形尺寸比硅更小、效率更高。GaN 最大限度地减少了传统硅固有的损耗，因此不需要硅严格的热管理策略。GaN 的采用率随着功率密度要求的提高而上升。

为确保高水平的可靠性和安全性，应将热管理策略应用于任何产生热量的电子设备。将设备温度保持在安全工作区域 （SOA） 内对于确保可靠的长期运行至关重要；随着功率密度的提高，这变得越来越具有挑战性。

热管理解决方案旨在最大限度地提高热效率，并最大限度地减少所用设备的尺寸、重量和成本。随着许多应用中电子设备内容的增加，与热量形式的功耗相关的问题不可避免地成倍增加。典型开关电源的损耗分为两类：开关和传导。

热设计应始终结合整个系统概念、应用以及是否可以使用主动或被动冷却方法来考虑。首先分析，需要选择效率高、功耗低的功率分立元件。DC/DC 转换器广泛用于工业应用的电源电路中，可提供高转换效率并降低功率损耗。

直流/直流解决方案

德州仪器 （TI） 提供的 TPS546D24A 降压转换器能够在 85°C 的环境温度下提供高达 160A 的输出电流，从而增强了工业应用的热性能（图 1）。TPS546D24A 最大限度地提高了 FPGA 电源的功率密度，并使工程师能够在高性能数据中心和企业计算、医疗应用、无线基础设施和有线网络应用中将功率损耗降低 1.5 W。 据 TI 称，该器件提供 1.5MHz 的开关频率和 0.9mΩ 的低侧 MOSFET，效率比其他解决方案高 3.5%。

图 1：TPS546D24A 的简化原理图（图片：德州仪器）

该器件提供小于 1% 的输出电压误差和引脚捆绑配置，可更准确地监控电流以进行故障报告。 此外，它的集成有助于消除板上多达六个外部补偿组件。 降压转换器的 PMBus 接口提供可选的内部补偿网络，允许工程师将大电流 FPGA 每个应用 （ASIC） 的整体电源解决方案尺寸减少 10% 以上。TPS546D24A 的运行温度比最近的解决方案低 13°C，从而提高了在炎热和恶劣环境中的运行可靠性。

“PMBus 是一种串行接口和开放标准，在许多市场和应用中都很有用，”德州仪器 （TI） 产品营销工程师 Rich Nowakowski 说。 “40-A TPS546D24A 允许通过引脚绑定或 PMBus 命令进行配置，它通过 PMBus 接口将电流报告为简单的单个地址，即使在多个器件堆叠到 160 A 时也是如此。”

图 2：TPSM53604 评估板（图片：德州仪器）

与此同时，TI 的 TPSM53604 使工程师能够将电源解决方案的尺寸缩小 30%，并将功耗比早期设备降低 50%（图 2）。由于 TPSM53604 的四方扁平无引线 （QFN） 占位面积的 42% 与电路板接触，因此与竞争的球栅阵列 （BGA） 封装相比，该封装可实现更高效的热传递。TPSM53604 能够在高环境温度（高达 105°C）下运行，以支持工业自动化、网络基础设施、测试和测量、工业运输以及航空航天和国防环境中的苛刻应用。

“TPSM53604 是市场上最小的 4A、36V 输入电源模块，”Nowakowski 说。 “该器件具有高功率密度、出色的热性能和低 EMI ［电磁干扰］ 噪声。我们能够通过将电感器和其他无源元件集成到三维模块设计中来实现这些优势，同时解决几个设计挑战。”

TPSM53604 电源模块通过在可路由引线框架四风扇型封装内集成一个非常高效的 IC 来解决热设计问题。

氮化镓技术

除了改善传导损耗之外，使用 GaN 还可以通过提高开关开启速度来显着降低开关损耗。提高开关频率还可以减小许多大型组件（如变压器、电感器和输出电容器）的尺寸。GaN 具有更好的导热性，并且可以承受比硅更高的温度。这两个属性都有助于减少对热管理组件（如笨重的散热器和冷却装置）的需求，从而显着减小电源的整体尺寸和重量。

德州仪器 GaN 技术产品线经理 Steve Tom 说：“频率越快，磁性越小，电容器越小，密度就越高。” “GaN 的优点在于我们可以更快地切换而不会产生热损失，这就是功率密度和效率如此之高的原因。”

一个主要问题是设备的可靠性。 “我们已经完成了超过 3000 万个设备小时，”汤姆说。 “截至今年，我们已经处理了 3 GW 的功率转换，以表明我们的设备具有强大的 SOA。它们非常适合电源和逆变器应用。”

GaN 解决方案系列集成了高速栅极驱动器、EMI 控制、过热和过流保护，响应时间为 100ns。集成器件提供优化的布局，以最大限度地减少寄生电感、最大限度地提高共模瞬态抗扰度（CMTI，以 dV/dt 为单位）并减少电路板空间。

“我们在 TI 提供的独特优势之一是我们的 GaN 供应链，”Tom 说。 “TI 拥有 GaN 工艺并运营从 ［外延］ 到封装和测试的整个制造流程。然后我们将 GaN FET 与优化的驱动器相结合，以实现最高速度、最高性能、最高可靠性的系统。” TI 拥有量产的 150-mΩ、70-mΩ 和 50-mΩ 600-V GaN FET 的完整产品组合。这些器件支持工业、电信、服务器和个人电子应用中的高密度设计。

图 3：GaN 应用（图片：德州仪器）

为了扩大 GaN 在汽车、并网存储和太阳能等新应用中的应用（图 3），TI 正在展示其自己的对流冷却、900V、5kW 双向 AC/DC 平台。 该平台可以在没有冷却风扇的情况下提供 99.2% 的峰值效率，具有可扩展的多级解决方案，适用于 5 kW 和自然对流。 它包括 LMG3410R050 GaN 和 C2000 数字控制器，并支持高达 1.4 kV 的总线电压。

*本文最初发表在EDN姐妹刊EETimes欧洲版，参考原文：gan-adoption-rises-for-fpga-power-design.