多相 DCDC 轉(zhuǎn)換器為 FPGA 電源設(shè)計(jì)提供低紋波集成解決方案

多年來(lái)，多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為服務(wù)器、手機(jī)、平板電腦和 PC 中的多核處理器供電。今天的現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 現(xiàn)在集成了多核處理器，例如具有ARM雙核 Cortex-A9 處理器的Xilinx Zynq-7000 系列。隨著多核處理器擴(kuò)展到 FPGA、工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用，多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的使用繼續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)樗軌驖M(mǎn)足尺寸和熱限制。

多相轉(zhuǎn)換器在為多種應(yīng)用中的多核處理器和 FPGA 供電方面具有許多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兙哂薪档偷墓β蕮p耗、低輸出紋波和快速的瞬態(tài)響應(yīng)。為了更好地理解這些優(yōu)勢(shì)，讓我們回顧一下 Xilinx® Zynq®7000 系列 5W 小型、高效、低噪聲電源解決方案參考設(shè)計(jì) (TIDA-00574)，它演示了LP8758-B0如何多相轉(zhuǎn)換器可為具有有效排序的工業(yè)設(shè)計(jì)提供低紋波、緊湊型解決方案尺寸的 FPGA 電源解決方案（參見(jiàn)圖 1）。

LP8758專(zhuān)為滿(mǎn)足最新應(yīng)用處理器的電源管理要求而設(shè)計(jì)，這些應(yīng)用處理器適用于手機(jī)和類(lèi)似便攜式應(yīng)用。該器件包含4個(gè)降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器內(nèi)核，它們一起捆綁在單個(gè)四相降壓轉(zhuǎn)換器中。該器件通過(guò)I2C兼容串行接口進(jìn)行控制。
自動(dòng)PWM-PFM(AUTO模式)操作搭配自動(dòng)相位增加/減少操作，可在較寬輸出電流范圍內(nèi)以最大限度提高效率。LP8758支持遠(yuǎn)程差分電壓感測(cè)，可補(bǔ)償穩(wěn)壓器輸出與負(fù)載點(diǎn)之間的IR壓降(IR drop)，從而提高輸出電壓的精度。
LP8758支持可編程啟動(dòng)和關(guān)斷延遲與使能信號(hào)同步。
該器件的保護(hù)功能包括短路保護(hù)、電流限制、輸入電源欠壓鎖定(UVLO)以及過(guò)熱警告和關(guān)斷功能。該器件還具有一些錯(cuò)誤標(biāo)志，用于提供自身的狀態(tài)信息。此外，LP8758器件無(wú)需添加外部電流感測(cè)電阻即可支持負(fù)載電流測(cè)量。在器件啟動(dòng)和電壓變化期間，器件會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換率加以控制，以便最大限度減少輸出電壓過(guò)沖和浪涌電流。

該參考設(shè)計(jì)通過(guò)提供滿(mǎn)足多個(gè) 5W Zynq FPGA 功率要求的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)和布局，有助于改進(jìn)工程師的設(shè)計(jì)周期。選擇最小的組件以最大限度地減少使用的電路板空間，同時(shí)仍提供為 FPGA 供電軌供電所需的性能。

圖 1：Xilinx Zynq 5W 小解決方案尺寸電源設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，3A 降壓轉(zhuǎn)換器模塊LMZ31503支持從 12V 中間軌進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)在負(fù)載范圍內(nèi)提供小尺寸、2.8mm 高度和良好效率。LMZ31503模塊具有集成電感器和只有一個(gè)輸入和輸出電容器。LP8758 -B0配置為允許多個(gè)輸出軌來(lái)支持 Zynq 的電源要求。對(duì)于這款 FPGA 的最低電源軌，該設(shè)計(jì)使用微型LP5907低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，采用市場(chǎng)上最小的 0.65mm x 0.65mm 封裝，具有用于對(duì)電源軌進(jìn)行排序的使能引腳。

LP8758-B0的高開(kāi)關(guān)頻率 允許使用 2010 或 2016 尺寸、1mm 高度的電感器實(shí)現(xiàn)約 67mm2 的整體解決方案尺寸。這種緊湊的設(shè)計(jì)允許負(fù)載點(diǎn)電容器放置在非?？拷?FPGA 電源引腳的位置，以滿(mǎn)足小于 30m 的所需電源紋波（參見(jiàn)表 1）。LP8758 評(píng)估模塊 (EVM) 還可以選擇添加多個(gè)負(fù)載點(diǎn)電容器以?xún)?yōu)化瞬態(tài)性能。

表 1. Xilinx XC7Z015 收發(fā)器電壓電源要求。

多輸出LP8758-B0提供集成 FET、低物料清單并因其效率而具有有效的熱性能，如圖 2 所示。LP8758-B0能夠使用多個(gè) EN 輸入進(jìn)行排序，這意味著外部排序器如不需要LM3880 。在最大功耗下，LP8758 的最高溫度僅為 49°C。由于能夠保持低溫，TIDA-00574設(shè)計(jì)將是穩(wěn)健的，并為空間受限應(yīng)用中的 FPGA 供電提供可靠性。

圖 2：請(qǐng)參閱LMZ31503效率、LP8758效率曲線(xiàn)圖，用于 2.5V、1.8V、1.2V、1.0V 輸出在不同負(fù)載電流、布局面積和設(shè)計(jì)熱圖像上

該設(shè)計(jì)只是使用多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供低紋波、快速瞬態(tài)和緊湊的電路板空間來(lái)為 FPGA 或處理器供電的眾多方法之一。