FPGA应用供电设计一点通

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FPGA被广泛应用于各种产品，具有开发时间短、成本效益高以及灵活的现场重配置与升级等诸多优点。很多新型FPGA利用先进的技术实现低功耗和高性能。他们通过新的制造工艺降低了内核电压，从而扩大电源电压范围并提高电流量。很多FPGA对每个电源轨的供电需求不尽相同，而这些不同的电源有不同的电压输出和时序要求以及不同的噪声灵敏度要求。电源模块是满足这些供电需求的理想选择。

' ?. G6 n" U6 s一个电源模块包括控制器、FET、电感器和大部分无源器件，而这些器件都在一个封装内，仅需外部配备输入和输出电容器即可完成系统设计。数字电源模块结合了电源模块和数字电源的优点，使用数字电源模块进行设计可缩短开发时间并快速优化电源监控和时序控制功能，而这些都是模拟解决方案无法实现的。改进的电压调节精度、数字控制技术以及数字电源模块在FPGA应用中更受欢迎。本文以瑞萨电子ISL8274M为例，阐释数字电源模块如何满足FPGA的供电需求。
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数字电源模块满足FPGA的需求
; D6 M7 n3 {! e- q模拟和数字电源模块均适用于FPGA电源应用。但数字电源管理拥有更多方面的优势，例如实时监控、带快速瞬态响应的数字控制以及减少材料清单（BOM）并简化设计。数字电源模块解决方案非常灵活，可以轻松满足FPGA电源所需的低电压、高电流以及额外电源轨。通过PMBus可以轻松地将新的电源轨添加到管理系统中。瑞萨电子专利的数字直流（DDC）通信总线，为供电设备提供通信通道，可实现无故障通信、时序、交错和故障传输。如今，许多数字电源模块可通过精确的参考设定点实现出色的输出电压调节精度。
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$ S. Y, A3 K, \$ V7 g& mISL8274M是一款通用的降压型数字电源模块，具备PMBus通信和许多其他满足FPGA电源要求的特性。它拥有两个通道，可以作为两个独立的电压轨用于不同的FPGA器件，或通过并联满足更高的电流需求。此外，ISL8274M还具有内部DDC串行总线，可实现与瑞萨电子其他供电器件之间的通信，能够轻松配置和执行加电顺序、故障保护与监控，常用电路如图1所示。

' W& g) d- F; r8 a' W图1. ISL8274M常用应用电路图

表1. 瑞萨电子ISL8274M数字电源模块的主要特性

ISL8274M主要特点
5 v4 y" e" |( v" d/ b* a•完善的数字电源
•30A/30A双通道输出电流
* Z* t0 F0 i( z6 m2 o& y) |! l-4.5V至14V单轨输入电压
-效率高达95.5％
# w3 p  j4 o3 P- [- Y2 |% n! i•可编程输出电压
/ Y' s$ H& y+ X& [2 n-0.6V至5V输出电压设置
-线路/负载/温度精度为±1.2％
' t. x9 k8 n- R% ^7 l% x) }    •ChargeMode™控制回路架构
-296kHz至1.06MHz固定开关频率操作
2 l- c# A7 M0 y  r4 ?! m" k# L-无需电压补偿
, @6 D" n$ ]' i: F3 D% I-快速单时钟周期瞬态响应
# W; J: M5 X9 Y+ ~4 W$ e•MBus接口和/或引脚模式
- w) E7 I6 d  R) A$ n5 \( j* j-使用PMBus完全可编程
! ~2 z! D7 C7 m3 \9 L9 L, t* M-引脚模式，用于标准设置
-实时遥测VIN（输入电压），VOUT（输出电压），IOUT（输出电流），温度，占空比和开关频率    •高级软启动/停止，定序和跟踪
-通过故障记录完成过压/欠压、电流和温度保护
-支持PowerNavigator™
-热增强HDA封装
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6 w0 P% m+ [7 c: j5 @' ^数字ChargeMode™控制方案
ISL8274M采用瑞萨电子专利的ChargeMode™控制方案，可实现快速的负载动态响应，保持固定的开关频率，并支持全陶瓷输出电容器设计。该产品通过使用多速率采样技术和数字滤波器，减小了误差采样时刻和PWM生成时刻之间的延迟。这种简单的补偿控制方案无需额外的无源RC元件（模拟模块所需）即可实现补偿回路设计。对于任何系统内的变化，可以通过PMBus命令或PIN引脚对新补偿进行重新配置。瑞萨电子同时也提供参考设计以方便用户使用。

可调节上升时间的软启动
5 e5 A6 I- U1 ?. k1 C在有些场合，从接收到启用信号到输出电压上升到目标值所需要的延迟时间是想要设定的。ISL8274M通过PowerNavigator™GUI设计工具为用户简化了设计过程，并可以精确、独立地重置延迟和上升时间。在启动前的输出阶段如果存在预偏置条件，ISL8274M可以通过在启动输出上升前对输出电压进行采样从而提供预偏置保护。图2展示了启动上升时间为5ms的软启动过程。
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! X9 \4 L0 I- @# V9 G图2. ISL8274M启动示意图

电源排序/电压跟踪
用于不同电压或多相运行的一组电源模块可以被设置为以预定顺序启动。此功能在为高性能处理器（如FPGA）供电时极为重要，这些高性能处理器需要一个电源在另一个电源之前达到其工作电压，以避免闩锁效应。使用ISL8274M，通过发出PMBus命令来设置多个设备的启动顺序，以便分配在序列链中靠前的设备，以及序列之后的设备。

ISL8274M具有电压跟踪功能，通过一个输出通道（通道1或通道2）跟踪施加到VTRKP和VTRKN引脚的电压，在两种基于特定应用的可选模式下无需外部组件。

! K. C9 r) ^2 q5 T$ p各种保护和监控功能
ISL8274M提供完整的保护功能，包括电源输入欠压/过压（UV/OV）保护、驱动器电压UV/OV保护、两级输出电流欠流/过流（UC/OC）（平均值和峰值）保护、输出电压UV/OV保护以及低温/过温（UT/OT）保护。每种保护都有故障限值和警告限值，用户可通过PMBus命令轻松设置相应的故障限值。另有包括断续模式在内的不同的故障响应选项，用户可从中选择。此外，用户还可以通过PMBus命令配置响应功能。ISL8274M能够通过PMBus命令监视各项系统参数。
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瑞萨电子的ISL8274M提供了最完整的保护功能和监控功能，用更安全、更稳定的方式保护电源系统操作，并为用户提供更强大的系统设计灵活性。

& {5 y# G3 e; t6 c设计工具
2 f) \7 w6 g8 I评估板/用户指南
瑞萨电子还为用户提供ISL8274M评估板和详细的用户指南。评估板如图3所示。
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图3. ISL8274M评估板图片

+ ~+ Y; @) l0 {. `( yPowerNavigator
2 L" q0 f3 W" y# N瑞萨电子提供的PowerNavigator GUI软件可帮助用户加速电源设计、测试、定型和调试。用户利用该软件通过PMBus连接到开发板，可设置调节各种系统参数和阈值，最终配置存储在非易失性存储器中。图4展示了PowerNavigator GUI软件操作界面。
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图4. PowerNavigator操作界面

- G& Y& W) g% l) \5 v4 a5 f- {7 s) l! PPowerCompass
PowerCompass工具可帮助用户快速挑选出符合其特定要求的部件，设置多个电压，进行高级系统分析以及生成自定义参考设计文件。该工具仅以Web应用程序的形式提供，用户也可使用该程序脱机工作。

iSim设计与仿真工具
瑞萨电子提供一款名为iSim的基于网络的强大仿真工具，这是一款使用简单的交互式电源管理和运算放大器设计工具。iSim让用户能够快速选择支持组件，并设计和仿真其电路和系统。
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结论
ISL8274M数字电源模块使用瑞萨电子专利的ChargeMode控制架构，可在绝大多数情况下提供90%以上的转换效率。另外它还提供对在FPGA处理功率瞬爆中常见的输出电流负载阶跃的单时钟周期快速瞬态响应。该器件的无补偿设计使模块保持稳定，无需考虑温度、变异或老化引起的输出电容器变化。其功率密度、高效率和快速瞬态响应满足了单轨和多轨的电源需求。
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5 b7 ?2 E1 s# @& V( N% L! R用户可在线获取有关PowerNavigator，PowerCompass和iSim设计与仿真工具的详细说明和视频教程，有助于设计轻松入门。
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, N; R; r) Z) @0 y: N关于作者
Xiao Li是瑞萨电子株式会社工业模拟与电力事业部高级应用工程师。

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