最新FPGA所需求的電源IC

近年來(lái)，電子設(shè)備(應(yīng)用)的多樣化與高性能化以驚人的速度不斷發(fā)展。可以說(shuō)，這種趨勢(shì)使各產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期縮短，并給半導(dǎo)體技術(shù)帶來(lái)了巨大的發(fā)展空間。

在這種背景下，被稱為FPGA的LSI為電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)作出了巨大貢獻(xiàn)，它比以往任何時(shí)候更引人關(guān)注，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。

1.何謂FPGA

FPGA為Field Programmable Gate Array的縮寫，意為在現(xiàn)場(chǎng)(Field)、可擦寫(Programmable=可編程)的、邏輯門(Gate)呈陣列(Array)狀排布的半定制LSI，簡(jiǎn)言之，即“后期電路可擦寫邏輯元件”。

產(chǎn)品售出后也可進(jìn)行再設(shè)計(jì)，可順利進(jìn)行產(chǎn)品的更新以及新協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)對(duì)。這是制成后內(nèi)容即被固定的ASIC (Application Specific Integrated Circuit：特定應(yīng)用定制IC)和ASSP (Application Specific Standard Product：特定應(yīng)用的功能專業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)、市售IC)所沒(méi)有的、只有FPGA才具備的特點(diǎn)。

FPGA不僅具備可再編程的靈活性，隨著近年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA的高集成度、高性能化、低功耗化、低成本化也在不斷進(jìn)步，F(xiàn)PGA已經(jīng)逐漸具備了與ASIC和ASSP同等程度的功能，因此，在各種電子設(shè)備中的應(yīng)用日益廣泛。

2.FPGA所需求的電源規(guī)格

ROHM于今年7月開(kāi)發(fā)出并發(fā)布了對(duì)應(yīng)最新FPGA的、即Xilinx公司生產(chǎn)的28nm制程7系列的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器“BD95601MUV(1ch)”、“BD95602MUV(2ch)”。另外，還開(kāi)發(fā)出用于AVNET Internix公司FPGA用開(kāi)發(fā)套件(Mini

Module Plus)(照片1)的電源模塊板。(照片2)

照片1：AVNET Internix公司生產(chǎn)的FPGA用開(kāi)發(fā)套件(Mini Module Plus)

照片2：ROHM電源模塊板

這兩種成為參考設(shè)計(jì)的電源IC性能非常好，而且通用性強(qiáng)，不僅可用于FPGA，還可在更廣泛的應(yīng)用中使用。

最近的高端FPGA(此次AVNET Internix公司的開(kāi)發(fā)套件為Xilinx Kintex-7用)，由于其制程工藝的微細(xì)化以及與其相應(yīng)的低電壓化、內(nèi)核部與接口部的電源分離以及數(shù)字電路與模擬電路的混裝等多電源化，必然需要先進(jìn)的電源管理。電壓精度當(dāng)然要求低波紋，而且要求具備投入時(shí)序管理和優(yōu)異的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。圖1為ROHM電源模塊的輸出結(jié)構(gòu)，表示生成上述項(xiàng)目的各開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器與電壓/電流。

圖1：電源模塊的輸出結(jié)構(gòu)與FPGA的電源要求

這種模塊需要內(nèi)部電路、I/O、RAM、收發(fā)器用等共8種電壓。以內(nèi)部電路用VCCINT為例，電壓精度為±3%。

系統(tǒng)電壓等通常為±5%，因此，僅從比例考慮的話±3%可視為稍微苛刻的要求，但按實(shí)際的容許電壓考慮的話：3.3V±3%為3.3V±99mV，VCCINT=1.0V±3%為1.0V±30mV

即、VCCINT的容差僅為±30mV，當(dāng)電壓較低時(shí)，實(shí)際的容許電壓值要求嚴(yán)格。這對(duì)于具有波紋電壓的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)是非常苛刻的條件，如果負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度不夠快，也很容易超出容許范圍。對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)低電壓高電流輸出、高精度高穩(wěn)定性是巨大的課題。[!--empirenews.page--]

另外，不僅是電源精度，對(duì)于多數(shù)電源來(lái)說(shuō)，都已詳細(xì)規(guī)定了電源上電時(shí)序、斷電時(shí)序，不滿足這些要求就會(huì)發(fā)生FPGA不啟動(dòng)等問(wèn)題。

―實(shí)現(xiàn)高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的ROHM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器―

使這些FPGA可靠地啟動(dòng)、穩(wěn)定地工作的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器“BD95601MUV(1ch)”、“BD95602MUV(2ch)”的主要規(guī)格如下。

【特點(diǎn)】

・采用ROHM獨(dú)創(chuàng)的可高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的H3RegTM控制方式

・最高效率達(dá)95%以上

・可選擇輕負(fù)載時(shí)進(jìn)行間歇脈沖控制的輕負(fù)載模式、重視低波紋控制的PWM連續(xù)控制模式、輕負(fù)載時(shí)防嘯叫控制的靜音輕負(fù)載模式

・搭載實(shí)現(xiàn)多種電源時(shí)序的可調(diào)軟啟動(dòng)端子、P.G.輸出端子

・搭載各種保護(hù)功能(OCP、SCP、UVLO、TSD)

【規(guī)格概要】

參見(jiàn)表1?；旧希瑑煞N產(chǎn)品都是高效同步整流的降壓型控制器，不僅在重負(fù)載時(shí)的效率高，輕負(fù)載時(shí)的效率

也很高。標(biāo)準(zhǔn)電壓為0.75V/0.7V，適用低電壓，±1%的精度對(duì)于前述的±3%的精度來(lái)說(shuō)具有充分的余量。不僅

如此，通過(guò)ROHM獨(dú)創(chuàng)的H3RegTM控制模式實(shí)現(xiàn)了高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)(圖2)，非常適合用作FPGA電源。

表1：BD95601MUV(1ch)、BD95602MUV(2ch)的規(guī)格概要

圖2：負(fù)載電流急劇變動(dòng)也可用最小限的電壓降實(shí)現(xiàn)高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

【高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)H3RegTM控制】

為了提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的速度，有一種解決方案是使用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制，但H3RegTM控制是進(jìn)一步提高負(fù)載[!--empirenews.page--]

急劇變動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)速度的、改進(jìn)型(改良形)恒定導(dǎo)通時(shí)間控制方式(圖3)。

圖3：ROHM獨(dú)創(chuàng)的高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)H3RegTM控制

・為了與內(nèi)部電壓控制比較器輸入的標(biāo)準(zhǔn)電壓(REF)進(jìn)行比較，將被分壓的輸出電壓反饋給FB引腳;

・在正常運(yùn)行中，H3RegTM控制器一旦檢測(cè)到FB引腳的電壓低于REF電壓，在下述公式規(guī)定的時(shí)間(tON)之內(nèi)，導(dǎo)通高邊MOSFET的柵極(HG)，使輸出電壓上升;

････････････････（公式）

・tON后HG一旦關(guān)斷，低邊MOSFET的柵極(LG)導(dǎo)通，F(xiàn)B引腳電壓開(kāi)始下降，當(dāng)與REF電壓達(dá)到一致時(shí)關(guān)斷LG。

・通過(guò)這樣的反復(fù)運(yùn)行，保持輸出恒定;

・負(fù)載急劇變動(dòng)時(shí)，輸出降低、過(guò)了FB引腳電壓所規(guī)定的tON時(shí)間還沒(méi)有上升到REF電壓以上時(shí)，可通過(guò)延長(zhǎng)tON時(shí)間、供給更多的電力來(lái)加快輸出電壓的恢復(fù),即提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性;

・輸出電壓恢復(fù)，即返回正常運(yùn)行。

3.整合FPGA參考設(shè)計(jì)，獲得優(yōu)異的電源特性

圖4為此次AVNET Internix Kintex7用ROHM電源模塊的VMGTAVtt輸出波形。由圖可見(jiàn)，VMGTAVtt為FPGA收發(fā)器用1.2V模擬電源，精度要求為±2.5%，最為苛刻。但是，1.2V輸出的BD95601MUV，波紋為5.6mV，誤差僅為0.47%。

圖4：電壓波紋波形

要想獲得優(yōu)異的電源，一種方法是利用電源模塊或FPGA套件的評(píng)價(jià)結(jié)束后，移植到實(shí)機(jī)時(shí)，采用參考設(shè)計(jì);同時(shí)采用獨(dú)自進(jìn)行板上電源設(shè)計(jì)的也為數(shù)不少。

當(dāng)然，值得強(qiáng)調(diào)的是，即使所有方面都進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，如果IC自身性能不夠好，無(wú)論如何調(diào)整也無(wú)法獲得所述的優(yōu)異特性。設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源并不是一件簡(jiǎn)單輕松的事。除了計(jì)算元件常數(shù)，為了獲得最佳特性還要進(jìn)行元件的化學(xué)研究、基板設(shè)計(jì)，而且沒(méi)有調(diào)試就無(wú)法獲得真正的性能。

一直以來(lái)，ROHM在模擬設(shè)計(jì)技術(shù)方面擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，擁有可實(shí)現(xiàn)具有這樣卓越特性的模塊的元件選型和基板設(shè)計(jì)技術(shù)訣竅，并具備完善的客戶支持體制。

4.總結(jié)

如前所述，F(xiàn)PGA所需要的電源，實(shí)際使用插座連接的FMC(FPGA Mezzanine Card)有時(shí)布線會(huì)較長(zhǎng)，在特性方面要求更加苛刻。

在這種條件下，可以自豪的說(shuō)，之所以能夠供應(yīng)滿足7系列高端FPGA電源需求的模塊，是因?yàn)镽OHM同時(shí)擁有卓越的電源用IC與電源設(shè)計(jì)的技術(shù)。

另外，選擇作為綜合性半導(dǎo)體廠家ROHM的參考設(shè)計(jì)，客戶在品質(zhì)、可靠性、供應(yīng)體制、服務(wù)支持、溝通等各個(gè)方面都可倍感安心，而且，ROHM不僅供應(yīng)IC產(chǎn)品，還可一并供應(yīng)分立器件等電氣電子元器件產(chǎn)品。