基于混合电压FPGA系统的电源管理控制器设计

在当今数字化飞速发展的时代，现场可编程门阵列（FPGA）凭借其快速原型开发和数字系统实现的优势，成为了众多电子工程师的首选。然而，随着FPGA功能的不断增强，其对电源管理系统的要求也日益提高。Intersil推出的ISL6521控制器，正是为满足混合电压FPGA的电源需求而设计的一款优秀产品。今天，我们就来深入探讨一下这款控制器及其评估板ISL6521EVAL1的相关特性。

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一、ISL6521控制器概述

ISL6521是一款功能强大的电源管理控制器，它能够调节四个输出电压，并提供简单的保护功能。其采用PWM控制器驱动两个外部N沟道MOSFET，以同步降压转换器拓扑结构为FPGA的内部核心逻辑（VCCINT）供电。同时，集成的线性控制器可直接驱动高达120mA的电流，若搭配外部NPN传输晶体管，电流驱动能力可提升至3A，主要为I/O银行（ ( V_{CCO}) ）、输入缓冲参考电压（VREF）和辅助逻辑（VCCAUX）供电。

ISL6521具备集成的高带宽误差放大器和精确的内部电压参考，能够确保在不同的线路、负载和温度范围内，实现±2%的静态电压调节公差。此外，它还拥有开关转换器的过流保护和线性控制器的简单欠压保护功能，为系统的稳定运行提供了可靠保障。

二、ISL6521EVAL1评估板

2.1 设计参数

ISL6521EVAL1评估板旨在为评估表面贴装和通孔组件提供一个多功能平台。该评估板的设计满足特定的输出电压和电流规格，具体参数如下：	参数	最大值	最小值
降压调节器：
静态调节VOUT1	1.530V	1.470V
连续负载电流	5A
负载电流瞬变	2.5A/ μs
线性调节器：
静态调节VOUT2	3.366V	3.234V
连续负载电流	1A
静态调节VOUT3	2.550V	2.450V
连续负载电流	1A
静态调节VOUT4	1.836V	1.764V
连续负载电流	120mA	100mA

2.2 快速启动评估

在进行评估时，首先需要进行电路设置。将一个+5V的台式电源连接到靠近Intersil标志的+5V和GND端子上。每个输出都有类似的标记为VOUTx和GND的端子对，可以通过连接电阻性或电子负载来测试每个输出。连接好外部电源和负载后，给+5V电源通电。此时，发光二极管D2应亮起红色，表示电源已成功施加到评估板上。如果D2未变红，则需要关闭电源并检查所有外部连接。

2.3 性能表现

软启动过程

当施加到PWM控制器的偏置电压达到上升的电源复位（POR）阈值时，ISL6521会启动软启动间隔。在经过短暂延迟后，四个输出开始向由外部电阻分压器设置到FB引脚的输出电平斜坡上升。这个过程缓慢地对每个输出的输出电容进行充电，从而减轻了从偏置电源汲取的初始电流。软启动间隔持续约3ms，直到所有四个输出达到其编程的输出电平。

输出电压纹波

评估平台设计满足20mV的核心电压纹波规格。在室温条件和轻负载下，输出电压纹波测量值小于18mV。若需要调整输出电压纹波，可以参考“适应电路性能”部分的内容。

保护功能

ISL6521的PWM控制器具备过流保护功能，它通过监测上MOSFET的导通电阻（ (DS(on)) ）来监控通过设备的电流，并将其与外部设置的过流跳闸点进行比较。当超过过流跳闸水平时，PWM控制器会移除对MOSFET的栅极驱动，并进入相当于三个软启动间隔的等待期。如果过流条件仍然存在，控制器将再次跳闸。

线性控制器则具有欠压保护功能，同时也提供过流保护。当线性输出出现低阻抗短路时，输出电压会下降。当输出电压降至输出电压设定点的70%以下时，线性控制器将关闭，并进入等待期。若欠压条件仍然存在，线性控制器将在软启动期间关闭。

瞬态响应

FPGA的瞬态规格因整体门使用情况而异。ISL6521EVAL1设计满足5A负载阶跃和2.5A/ μs的转换速率要求。在瞬态过程中，FPGA核心电压（VOUT1）不得超过+1.5V的±50mV。评估板的前沿瞬态响应时间小于30 μs，后沿瞬态响应时间小于20 μs。不过，要实现更快的瞬态响应时间，需要降低输出电感，但这会导致效率下降。

效率

在室温且无气流的热平衡条件下，对ISL6521EVAL1评估板从1A到6A的负载进行测量。PWM转换器设计目标是在满负载时实现至少80%的效率。通过对输出电感和/或双N沟道MOSFET进行设计修改，可以提高效率。

三、适应电路性能

3.1 元件替换

评估板支持使用表面贴装和通孔设备，这为评估过程提供了灵活性。在仅使用表面贴装的应用或有高度限制的设计中，可以用具有相似ESR特性的表面贴装电容器替换铝电解大容量输出电容器，以实现类似的性能。例如，Sanyo SVPC系列或Panasonic SP系列电容器提供了不同价格点的表面贴装选项。

3.2 线性组合

ISL6521的线性控制器可以单独使用，每个提供120mA的电流，也可以驱动外部传输设备以实现高达3A的电流。两个线性控制器可以组合在一起创建一个240mA的调节器，或者将三个线性控制器连接在一起以提供360mA的电流。在进行线性组合时，需要移除外部传输设备Q2和Q3，并使用电阻选项将每个线性的输出平面短路，同时确保每个线性的反馈电阻对匹配，以提供正确的电压反馈。

四、布局考虑

在高频开关转换器设计中，元件布局和走线设计非常重要。由于功率设备在300kHz的频率下高效开关，电流在不同设备之间的转换会在互连阻抗和寄生电路元件上产生电压尖峰。这些电压尖峰可能会降低效率、辐射噪声并导致设备过压应力。因此，需要仔细进行元件布局和印刷电路板设计，以最小化这些电压尖峰。

4.1 元件放置

首先，应将开关元件靠近ISL6521放置。尽量缩短输入电容器C4和C5与功率开关Q1之间的连接长度，并将陶瓷和大容量输入电容器尽可能靠近上MOSFET的漏极放置。将输出电感和输出电容器放置在上、下MOSFET与负载之间。

对于关键的小信号元件，如旁路电容器、反馈元件和补偿元件，应将PWM转换器的补偿元件靠近FB和COMP引脚放置，反馈电阻应尽可能靠近FB引脚，并根据需要将过孔直接连接到接地平面。

4.2 走线路由和互连

从PHASE端子到输出电感的走线应短而宽。如果有电源平面层，应使用它来支持输入电源和输出电源节点，并在相节点层使用铜填充多边形。从UGATE和LGATE引脚到MOSFET栅极的走线也应短而宽，以轻松处理1A的驱动电流。

为了散发内部线性和PWM驱动器产生的热量，应通过至少四个过孔将接地焊盘（引脚5和9）连接到接地平面，以实现低阻抗路径。

总结

ISL6521EVAL1是一款适应性强的评估工具，它充分展示了ISL6521CB的性能。该评估板不仅满足当前FPGA应用的性能要求，还为用户在未来设计中提供了灵活的配置选项。通过本文的介绍，相信大家对ISL6521控制器及其评估板有了更深入的了解。在实际应用中，大家可以根据具体需求对电路进行调整和优化，以实现最佳的性能表现。你在使用类似电源管理控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。