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如何为Lattice CertusPro-NX FPGA评估板优先考虑效率和成本
前言：
作者：James R. Staley，应用工程师
Matthias Bust，首席工程师
摘要
现代现场可编程门阵列(FPGA)系列（如Lattice Semiconductor CertusPro™-NX）适用面广泛，但需满足根据特定市场驱动的需求而定制的电源要求。如果不清楚该如何平衡成本、性能和尺寸这三个要素，则可能难以为这些器件选择合适的供电方式。本文介绍了适用于CertusPro-NX评估板的解决方案，同时针对特定需求阐明了各种解决方案实现优化的原理和原因。μModule®电源解决方案尺寸小巧、设计简单，为FPGA系统提供了一种非常实用的设计方法，但还有其他选项可供电源系统架构师考虑。
简介
Lattice Semiconductor CertusPro-NX评估板旨在方便用户研究和试验CertusPro-NX FPGA的特性。其特性可以帮助用户快速制作原型和测试特定设计。该评估系统包括了片上稳压器，用于为FPGA提供电源选项。大多数的电源轨都可以根据用户的喜好进行选择。
本文旨在为Lattice Semiconductor CertusPro-NX FPGA评估板的每个电源选项提供更新的电源建议。考虑到设计复杂性、效率、解决方案尺寸和成本，此电源解决方案必须包括更为先进、性能更优的电源产品。通常，评估板会设计能够展示FPGA完整特性集的电源架构。这种方法对于评估是必要的，但可能不适用于不需要全部性能的系统。对于那些针对小物理尺寸电路板进行优化的缩小版实现方案来说，这种电源架构可能太大了。哪种解决方案更适合特定的CertusPro-NX应用，将取决于系统架构师认为该特定项目应更优先考虑哪些因素。
分立解决方案由专用电源IC和外围电源器件组成，这类方案侧重于效率性能和成本，其次才是物理布局尺寸。在更重视紧凑外形的系统中，ADI公司的μModule解决方案可带来常规布局无法实现的无与伦比的能量密度，同时仍具有超越现有CertusPro-NX参考设计的性能优势。此参考设计在这方面具有专业优势，支持系统架构师根据其对预期的平台设计目标和限制条件的深入了解，选择需要整合到平台中的电源解决方案版本。架构师可以通过仔细研究两个版本的数据，慎重权衡相关尺寸、性能和成本，为更大程度地符合项目工程规范而做出更合适的选择。
CertusPro-NX评估板电源架构
CertusPro-NX评估板的大多数片上稳压器由外部12 V电源供电。FPGA的每个VCCIO引脚都有默认电源选项，用户也可以根据其应用的具体情况选择偏好的电源选项。图1显示了连接到FPGA特定VCCIO引脚的可用电压轨。表1总结了VCCIO引脚可用的电压选项。
图1.CertusPro-NX FPGA VCCIO引脚电压选项
表1.VCCCIO电源选项
|
VCCIO组 |
3.3 V |
2.5 V |
1.8 V |
1.5V |
1.2 V |
V-ADJ |
|
VCCIO0 |
可选 |
|
默认值 |
|
|
|
|
VCCIO1 |
固定 |
|
|
|
|
|
|
VCCIO2 |
默认值 |
可选 |
可选 |
|
|
|
|
VCCIO3 |
|
|
可选 |
|
可选 |
默认值 |
|
VCCIO4 |
||||||
|
VCCIO5 |
||||||
|
VCCIO6 |
默认值 |
可选 |
可选 |
|
|
|
|
VCCIO7 |
固定 |
|
|
|
|
|
FPGA的VCCIO引脚使用的各个电压轨均由各种片上稳压器产生。主电源通过外部12 V直流电源提供，这在CertusPro-NX评估板 用户指南的第1.4节中进行了讨论。图2显示了由外部12 V直流电源供电的片上稳压器所产生的不同电压输出轨。LDO稳压器也用于后调节，以产生较低的电压，同时降低输出处的噪声。
图2.CertusPro-NX评估板电源方案
推荐电源解决方案架构
稳压12 V壁式适配器用作评估板的输入电压。给定此输入源和评估板上所需的电压电平，可以使用单次降压法直接从12 V生成所有必要的电压轨。如果用户需要更宽的输入电压范围，或使用更高的输入电压（例如24 V），则可以考虑采用两次降压法：首先生成一个中间电压轨（例如5.0 V或3.3 V），然后使用中间电压轨为后续稳压器供电以产生更低电压，如图3所示。
图3.两次降压法与单次降压法
拓扑的选择将影响效率、各转换器的开关频率和解决方案总体尺寸等参数。在每个新的实施方案中都需要仔细考虑这些因素，以优化每个新产品设计的电源架构。此外，可能还需要适当的输入保护和滤波电路。
CertusPro-NX评估板的两种电源解决方案在设计时考虑了不同的优先事项，二者均使用前文所述的单次降压法。第一种是分立解决方案，它使用单体式DC-DC稳压器，提供外围电路，并允许用户对针对每个电源轨单独优化器件以获得最优性能。第二种是采用ADI µModule技术的全集成解决方案，尽最大可能为应用提供更紧凑、更简单的布局方案，同时还能提供出色的电源方案性能。
LTPowerPlanner®是一种支持优化系统级电源树的工具，其中提供了CertusPro-NX评估板的新型电源解决方案架构。LTpowerCAD®可用来为每个选定的DC-DC IC提供详细的电路方案，包括根据输入的IC使用情况和周围无源元件估算电路性能。这些程序是适用于Windows的工具套件的一部分，可从LTpowerCAD网页下载。此网页还提供了入门文档、培训材料和视频。
分立电源解决方案
分立电源解决方案支持设计人员针对特定解决方案优化外部电路元件，从而为每个电压轨提供更优的独立DC-DC稳压器性能。与现有电源解决方案相比，新推荐的分立电源解决方案实现了显著的性能改进。所有DC-DC稳压器都使用同步内部开关来更大限度地提高效率，同时仍保持紧凑的设计和出色的EMI性能。图4为CertusPro-NX评估板的分立解决方案电源树。
开关稳压器
LT8653S
LT8653S 采用第二代Silent Switcher®架构，更大限度地降低了EMI辐射，同时可在高开关频率下实现高效率。 具有宽VIN范围和双通道2 A输出，是一款理想的候选器件。
ADP2387
需要两个电压分别为1.8 V和3.3 V的电压轨，以提供高于LT8653S所能提供的输出电流，具体分别为4 A和3 A。根据这些要求，ADP2387 被确定为该应用的理想候选器件。
线性稳压器
MAX38903C
MAX38903C在CertusPro-NX评估板的1 V电压轨上用作后置稳压器，以抑制高噪声。该器件是一款低噪声线性稳压器，可提供高达1 A的输出电流，在10 Hz至100 kHz范围内的输出噪声仅为5.5 μV rms。MAX38903C具有低输出噪声和高噪声抑制特性，是用于CertusPro-NX评估板电源解决方案的明智选择。
ADP1707
ADP1707-1.8 是一款CMOS低压差线性稳压器，输出电压为1.8 V，输出电流高达1 A，采用3 mm × 3 mm裸露焊盘LFCSP封装。 因此，解决方案非常紧凑，并能为输出电流需高达1 A的小巧外形应用提供出色的热性能，因而也十分适用于CertusPro-NX评估板的电源解决方案。
µModule电源解决方案
另一方面，利用ADI公司的μModule技术，可以进一步缩小并简化模块相关解决方案，并且还不会牺牲性能质量。ADI公司的µModule稳压器和DC-DC电源产品是完整的系统级封装(SiP)电源管理解决方案，在紧凑的表面贴装BGA或LGA封装中集成了DC-DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容、补偿元件以及电感。µModule电源产品支持降压、降压-升压、电池充电器、隔离式转换器和LED驱动器等功能。
图5为使用µModule器件的CertusPro-NX评估板的电源解决方案树。外部12 V输入电源之后的第一级是μModule DC-DC稳压器阵列。下一级由线性稳压器组成。μModule设计（图5）和分立解决方案（图4）选择了相同的线性稳压器。
图4.使用LTPowerPlanner工具建模的分立解决方案电源树
图5. µModule解决方案电源树
图6.分立解决方案的VDD_1V8和VCC_3V3电压轨原理图
开关稳压器模块
LTM8078
LTM8078 是一款40 VIN、双通道1.4 A/单通道2.8 A、降压型Silent Switcher μModule稳压器。 Silent Switcher架构可进一步降低EMI，同时在高达3 MHz的频率下实现高效率运行。封装中内置控制器、功率开关、电感和其他相关元件。器件的输入电压工作范围较宽，开关频率范围为300 kHz至3 MHz（由单个电阻设置），只需使用输入和输出滤波器体电容就可以完成设计。因此，该器件也是CertusPro-NX评估板电源解决方案的理想选择。
LTM4625
LTM4625 是一款完整的5 A降压型开关模式µModule稳压器，采用小型6.25 mm × 6.25 mm × 5.01 mm BGA封装。 其高效率设计提供高达5 A的连续输出电流。仅需要大容量输入和输出电容。该器件提供高开关频率和电流模式控制，可以对线路和负载变化作出快速瞬态响应，而不会降低稳定性。
LTM8078和LTM4625 µModule开关稳压器提供了更简单的优质解决方案，消除了复杂性并避免了空间限制。
CertusPro-NX评估板电源解决方案设计详细说明
分立解决方案设计
根据CertusPro-NX FPGA 数据手册所述的推荐工作条件，电源电压应在典型值的±5%以内。在设计中，由反馈电阻和稳压器VREF电压的容差带来的直流输出误差、输出电压纹波和负载瞬态响应已经考虑在该5%的容差中。在存在这些误差的情况下，该器件仍处于FPGA推荐工作条件的5%允许值范围内。
可从ADI客户办公室解决方案部门获取所有电压轨的完整数据，但表2中选定的一些电压轨显示了1.35 A LT8653S和3 A/4 A ADP2387输出的典型代表性能。
表2.分立设计效率和纹波性能数据
|
电压轨 |
器件 |
VOUT (V) |
负载(A) |
功效比(%) |
纹波p-p (%) |
|
VDD_1V8 |
LT8653S |
1.8 |
1.35 |
86.20 |
0.91 |
|
VCC_3V3 |
LT8653S |
3.3 |
1.35 |
90.65 |
0.42 |
|
VCC_ADJ |
ADP2387 |
1.8 |
4.00 |
90.92 |
0.67 |
|
VDD_3V3 |
ADP2387 |
3.3 |
3.00 |
94.31 |
0.72 |
电压轨1：VDD_1V8
此电压轨需要1.8 V输出电压，并且应能提供高达1.35 A的输出电流。使用LT8653S的一个通道可以满足这一要求。设计中严格遵循了应用输出负载电流的±5%总输出电压误差，以确保符合推荐的工作条件。
为实现高直流精度，使用了内部基准电压源。该器件的通道配置为1.8 V反馈基准电压，从而消除电阻值和容差引起的误差。图6显示了LTPowerCAD生成的VDD_1V8和VCC_3V3原理图。
在评估电压轨以确保输出处于推荐工作条件范围内的过程中，以非常快速且非常高的负载阶跃作为激励来评估负载瞬态响应。阶跃负载设置为0 A至1 A阶跃，摆率为10 A/µs，脉冲持续时间为150 µs。图7显示了VDD_1V8电压轨的瞬态负载响应。上方波形CH2显示输出响应，下方波形CH4显示输出负载电流。
表4.VCC_3V3电压轨瞬态负载数据
|
参数 |
电压(V) |
百分比(%) |
目标限值(%) |
|
过冲 |
0.054 |
1.6 |
4.0 |
|
欠冲 |
0.052 |
1.6 |
4.0 |
图7.VDD_1V8瞬态负载响应
表3.VDD_1V8电压轨瞬态负载数据
|
参数 |
电压(V) |
百分比(%) |
目标限值(%) |
|
过冲 |
0.057 |
3.2 |
4.0 |
|
欠冲 |
0.055 |
3.2 |
4.0 |
从结果来看，综合考虑负载瞬态期间的过冲、欠冲以及输出纹波后，电压仍处于±5%的推荐工作条件内。
电压轨2：VCC_3V3
VCC_3V3电压轨与VDD_1V8一起使用LT8653S的第二个通道。就像VDD_1V8一样，VCC_3V3电压轨必须能够提供1.35 A输出电流，作为CertusPro-NX FPGA的VCCIO引脚上的电源。还有一个固定3.3 V输出的IC选项，该选项带有一个内部微调反馈分压器，因此可实现高直流精度。图6中还显示了原理图和电路元件值，图8中显示了瞬态响应。上方波形CH2显示输出响应，下方波形CH4显示输出负载电流。表4显示了瞬态负载响应结果，综合考虑过冲、欠冲以及输出纹波情况后，电压仍保持在±5%的推荐工作条件内。
图8.VCC_3V3电压轨负载瞬态响应
电压轨7：VCC_ADJ
VCC_ADJ电压轨需要1.8 V输出电压，并且应能向VCCIO和FMC连接器提供最高4 A的输出电流。设计中严格遵循了应用输出负载电流的±3%总输出电压误差，以确保符合推荐的工作条件。
为实现高直流精度，使用了内部基准电压源。该器件的误差放大器配置1.8 V反馈基准电压，以补偿电阻值和容差。
使用高摆率电流阶跃评估电压轨瞬态响应，以确保运行期间的输出电压始终保持在容差限值范围内。阶跃负载设置为0 A至1 A阶跃，摆率为10 A/µs，脉冲持续时间为150 µs。图9显示了VDD_1V8电压轨的瞬态负载响应。上方波形CH2显示输出响应，下方波形CH4显示输出负载电流。
图9.VCC_ADJ瞬态负载响应
表5.VDD_1V8电压轨瞬态负载数据
|
参数 |
电压(V) |
百分比(%) |
目标限值(%) |
|
过冲 |
0.048 |
2.7 |
3.0 |
|
欠冲 |
0.048 |
2.7 |
3.0 |
从结果来看，综合考虑负载瞬态期间的过冲、欠冲以及输出纹波后，电压仍处于±5%的推荐工作条件内，优于目标值3%。
电压轨8：VDD_3V3
VDD_3V3电压轨必须能够提供3 A输出电流，作为CertusPro-NX FPGA板的FMC连接器引脚的电源。瞬态响应如图11所示。上方波形CH2显示输出响应，下方波形CH4显示输出负载电流。表6显示了瞬态负载响应结果，综合考虑过冲、欠冲以及输出纹波情况后，电压仍保持在±3%的推荐工作条件内。
图10.VDD_3V3电压轨负载瞬态响应
表6.VDD_3V3电压轨瞬态负载数据
|
参数 |
电压(V) |
百分比(%) |
目标限值(%) |
|
过冲 |
0.09 |
2.7 |
3.0 |
|
欠冲 |
0.082 |
2.5 |
3.0 |
μModule解决方案设计
与上文中分立设计的相同规范也适用于μModule建议方案，因此这里不再详细讨论。μModule解决方案通过牺牲一些性能来换取更小的布局尺寸。下表显示了相同的样本点以做比较。
可从ADI公司客户办公室解决方案部门获取所有电压轨的完整数据，表7中选定的一些电压轨显示了1.35 A LTM8078和3 A/4 A LTM4625输出的典型代表性能。
表7. μModule设计效率和纹波性能数据
|
电压轨 |
器件 |
VOUT (V) |
负载(A) |
功效比(%) |
纹波p-p (%) |
|
VDD_1V8 |
LTM8078 |
1.8 |
1.35 |
83.38 |
0.25 |
|
VCC_3V3 |
LTM8078 |
3.3 |
1.35 |
88.88 |
0.19 |
|
VCC_ADJ |
LTM4625 |
1.8 |
4.00 |
83.02 |
0.11 |
|
VDD_3V3 |
LTM4625 |
3.3 |
3.00 |
89.60 |
0.11 |
电压轨1：VDD_1V8
通道1电压轨使用0.1%电阻来确保符合应用的直流和瞬态总容差裕量要求。图11显示了最坏情况负载阶跃下捕获的波形数据，表8汇总了所捕获的游标数据。
图11.VDD_1V8瞬态负载响应
表8.VDD_1V8电压轨瞬态负载数据
|
参数 |
电压(V) |
百分比(%) |
目标限值(%) |
|
过冲 |
0.0708 |
3.9 |
4.0 |
|
欠冲 |
0.0682 |
3.8 |
4.0 |
电压轨2：VCC_3V3
VCC_3V3电压轨（LTM8078的通道2）也使用了0.1%电阻来确保符合应用的电压裕量要求。图12显示了最坏情况负载阶跃下捕获的波形数据，表9汇总了所捕获的游标数据。
图12.VCC_3V3瞬态负载响应
表9.VCC_3V3电压轨瞬态负载数据
|
参数 |
电压(V) |
百分比(%) |
目标限值(%) |
|
过冲 |
0.109 |
3.3 |
4.0 |
|
欠冲 |
0.107 |
3.2 |
4.0 |
电压轨7：VCC_ADJ
图13.VCC_ADJ瞬态负载响应
LTM4625通道1电压轨使用标准1%电阻来确保符合应用的直流要求和瞬态总容差裕量要求。图13显示了最坏情况负载阶跃下捕获的波形数据，表10汇总了所捕获的游标数据。
表10.VCC_ADJ电压轨瞬态负载数据
|
参数 |
电压(V) |
百分比(%) |
目标限值(%) |
|
过冲 |
0.019 |
1.1 |
3.0 |
|
欠冲 |
0.024 |
1.3 |
3.0 |
VDD_3V3电压轨（LTM3625的通道2）也使用了1%电阻来确保符合应用的电压裕量要求。图14显示了最坏情况负载阶跃下捕获的波形数据，表11汇总了所捕获的游标数据。
图14.1VDD_3V3瞬态负载响应
表11.VDD_3V3电压轨瞬态负载数据
|
参数 |
电压(V) |
百分比(%) |
目标限值(%) |
|
过冲 |
0.03 |
1.7 |
3.0 |
|
欠冲 |
0.036 |
2.0 |
3.0 |
结论
在设计健全的电源架构时，需要谨慎平衡尺寸、性能和成本这三方面要素。任何的CertusPro-NX平台都可以从两种设计方案中挑选到更适合的选项。如前所述，两种设计方案中所有电压轨的效率、纹波和瞬态等完整数据均可应要求提供。结果表明，分立式设计或模块式设计方法都能够满足CertusPro-NX对性能参数的要求，并且还留有余量。任何用于未来的设计都应该采用更适合目标市场的方法。本文对数据集和设计理念进行了仔细分析，作者希望能由此帮助设计人员更有把握地实现Lattice FPGA电源集成，也希望设计工程师、系统架构师和项目经理等相关人员都可以对与电源器件和拓扑选择相关的权衡产生共同的理解。无论具体设计规范要求优先考虑什么，ADI都可以针对特定标准，定制出更合适的电源解决方案。
关于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。
关于作者
James R. Staley是ADI公司的工业电源系统工程经理。他毕业于北卡罗来纳州立大学，为Eta Kappa Nu荣誉学会会员，拥有纳米技术电子工程学士学位，已在半导体行业工作超过20年。他曾在凌力尔特公司和ADI公司担任应用工程、销售应用工程和系统工程等多个职位。他目前主要负责工业和精密仪器电源系统相关工作。James及其家人居住在北卡罗来纳州区罗利市。
Matthias Bust于2007年加入ADI公司，目前在客户办公室解决方案团队中担任电源产品专家。Matthias此前也曾是ADI的汽车电源产品系统经理，还曾作为现场应用工程师为所有市场领域的客户提供过服务。他拥有超过30年的行业经验，曾在电信和激光行业的硬件/软件设计、系统工程和供应链管理领域担任过多个职位Matthias毕业于德国伊尔梅瑙工业大学，拥有电子工程和信息技术专业的毕业证书。
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