可支持 FPGA 的单芯片电源管理解决方案.pdf

expert tips tricks and techniques for powerful designs p006 專題報導 可支持 fpga 的 單芯片電源管理 解決方案 1 7 產品精選 動態電壓調節 dvs 技術可以增強數字 處理器的電源管理 2 容易使用的數字子系統 電源管理單元 4 1 2v 輸出的低壓降 穩壓器可為新一代 數字內核電路提供 供電 6 網上設計工具 8 可支持 fpga 的單芯片電源管理解決方案 hector f arroyo 美國國家半導體資深應用技術工程師 fpga 芯片的應用越趨普及 因為這種芯片可以提高系統設計的靈活性 例如可以 輕易為系統增添功能或利用代碼修改設計 所以許多系統設計工程師都喜歡採用 fpga 但要為 fpga 提供足夠的供電便要面對一些挑戰 首先要解決的是多條供 電幹線的問題 一般來說 供電系統必須為 fpga 芯片提供最少兩個供電 一個 是內核的供電 此外 輸入 輸出群組也必須另有供電 可能超過一個 但這只是最 基本的要求 內置 fpga 的系統可能還要另外加設更多供電幹線 以便為 ddr 存 儲器 收發器 以太網物理層芯片 phy 模擬 數字轉換器或小型微控制器等提供 供電 除此之外 這些供電幹線也必須符合一些特別的要求 例如輸出不可超過 1 25v 單調昇壓 供電排序及上昇時間必須受控等 系統設計工程師及半導體廠商一直致力於這方面的技術研發 力求能夠提供更多高 度集成而又容易使用的解決方案 但其實工程師很多時可以根據自己的需要 充分 利用手上的資源 甚至跳出數據錶的框框 在建議的典型電路之外另辟蹊徑 便可 找到理想的解決方案 下文將會討論多種可為 fpga 供電的單芯片供電系統 並以 多輸出穩壓器為實例詳細分析其特點 文內也會討論一些技術上的問題 例如 如 何利用現有的帶隙穩壓器實現 1 25v 以下的電壓輸出 p 3 altera cyclone fpga lm2717 shdn1 shdn2 ss1 ss2 fb2 fb1 vin 4v to 20v 1 5v 3 3v vccint vccio 圖 1 高度集成的 lm2717 雙通道開關穩壓器可為中等功率的 fpga 提供 1 5v 的內核供電及 3 3v 的輸入 輸出供電 product highlights 動態電壓調節 dvs 技術可以增強數字處理器的 電源管理 lm3370 雙通道降壓穩壓器以高的功率轉換效率為 fpga 芯片及多媒體 處理器提供穩壓供電 適用於低功率的 fpga 芯片 cpld 芯片及應用 處理器 enable 1 sda scl enable 2 vin 2 7v to 5 5v por buck 1 vout2 1 8v to 3 3v up to 600 ma vout1 0 8v to 2v up to 600 ma buck 1 i2c interface buck 2 por buck 2 output current ma 1 10 100 1000 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 vout 2 5v efficiency vin 2 7v vin 3 6v vin 4 5v vin 5 5v 在整個負載範圍內效率都極高 如欲查詢有關產品的詳細資料 請瀏覽 3 feature article 可支持 fpga 的單芯片電源管理解決方案 p 5 圖 1 是一幅簡化的典型應用電路 圖 並以 altera 公司的 cyclone 芯片作為示例 顯示如何利用單 芯片電源供應器為 fpga 提供供 電 美國國家半導體的 lm2717 芯片是一款高度集成的雙輸出開 關穩壓器 不但可為 fpga 內核 提供 1 5v 的供電及 2a 峰值為 3 2a 的輸出電流 而且還可為輸 入 輸出提供 3 3v 的供電及 1 5a 峰值為2 2a 的輸出電流 lm2717 芯片是個輸出功率不高不 低的單芯片解決方案 其特點是 設計簡單 而且具有高度的靈活 性 最適用於組建外型小巧 效 率達 90 以上 並可支持設有多 條供電幹線 包括可為 fpga 供電 的數字電源供應系統 此外 這款芯片也適用於多種 不同的電源 其中包括 5v 12v 或交流電插座 40v 至 20v lm2717 芯片可以提供一個可調節輸出電壓及一個 3 3v 的固定輸出電壓 後者較為常見 其好處是占用 極少電路板空間 而且可以利用內置電阻設定輸出電 壓 有助提高輸出電壓準確度 lm2717 adj 是派生自 lm2717 的另一型號 其特點是兩個輸出都可調節 對 於需要提供另一不同輸入 輸出電壓的應用來說 這個 設計非常有用 據有關公司的資料顯示 目前的技術規格沒有規定 altera 的 cyclone 與 cyclone ii 以及許多其他新一代 fpga 如 xilinx 的 spartan 3e 必須在 動時將供電幹線的供 電次序預先排列 由於 lm2717 芯片已設有允許引腳 shdn1 及 shdn2 因此系統若有需要或需要另外為 其他 fpga 提供供電時 這款芯片可以按照指定時間 或預定次序 動每一輸出 此外 lm2717 芯片也設有 ss1 及 ss2 兩只軟 動引腳 並可通過不同引腳為每一 輸出電壓設定不同的昇壓時間 以便滿足不同 fpga 及 數字內核的不同技術規格 圖 2 所示的 lm3370 芯片是一款每通道可輸出 600 ma 電流的高集成度雙輸出同步降壓穩壓器 示例中的 lm3370 芯片正為低功率的 1 2v 90 nm fpga xilinx 的 spartan 3l 提供供電 上例的其中一條通道的輸出電壓可以在 1v 至 2v 的範 圍內加以調節 並以 50 mv 為一步級增減 這樣的輸 出通道是內核電路的理想供電來源 而另一通道的輸出 也可預先設定 電壓範圍介於 1 8v 與 3 3v 之間 並以 100 mv 為一步級增減 這樣的輸出通道也是輸入 輸 出的理想供電來源 由於 lm3370 芯片設有獨立的允 許引腳及內部軟 動功能 而且每一輸出各有自己的通 電復位標記 加上瞬態響應極快 因此可以為低功率的 fpga 及其他的多幹線數字內核提供供電 成為目前只 需極少外置元件的理想單芯片解決方案 由於 lm3370 芯片的輸出電壓已預先設定 加上芯片本 身還有多條獨立的允許引腳 因此芯片無需進行任何修 改便可即時使用 但即使如此 用戶仍可利用芯片內置 的 i2c 接口修改個別參數 甚至進行較大幅度的修改 xilinx spartan 3l fpga lm3370 sda scl en1 en2 sw1 fb1 sw2 fb2 vin 2 7v to 5 5v 1 2v 2 5v vccint vcco vccaux 2 2 h 2 2 h i2c 圖 2 高度集成的 lm3370 雙輸出同步開關穩壓器可為低功率的 fpga 提供 1 2v 的內核供電 2 5v 的輸入 輸出供電以及 2 5v 的 vccaux 供電 product highlights 容易使用的數字子系統電源管理單元 lp3906 芯片不但效率高達 96 而且具有數字設定能力 使系統設計 更具靈活性 產品編號可數字設定效率穩壓器的輸出電流 低壓降穩壓器的 輸出電流封裝方案大小 lp3906i2c高達 96 1 5 a300 mallp 2420 mm x 20 mm lp3905不適用高達 90 600 ma150 ma 低噪音 15 mm x 10 mmllp 14 可為應用處理器 fpga 及數字信號處理器等應用提供穩壓供電 對於體積及效率要求都極為嚴格的 系統尤為適用 如欲查詢有關產品的詳細資料 請瀏覽 5 feature article 可支持 fpga 的單芯片電源管理解決方案 以提高設計的靈活性 可以根據需要修改的參數包括 每一通道的輸出電壓設定值 每一通道的輸出允許值 開關模式選擇 有助提高低負載操作效率的 pwm pfm 自動切換模式或採用固定頻率操作的固定 pwm 模式 擴展頻譜允許以及擴展頻譜頻率範圍 圖 3 的簡化電路圖顯示如何組建一款設有三條供電幹線 並可為高功率 fpga 供電的電源供應系統 圖中的示例 顯示 lm2633 控制器正為 xilinx 的 virtex 5 提供 1 0v 的內 核供電 3 3v 的輸入 輸出供電以及 2 5v 的 vccaux供 電 lm2633 是一款內置三條輸出通道 的集成電路 上述例子清楚顯示我們其 實可以充分利用現有的技術執行當初構 思設計時沒有想到的嶄新工作 lm2633 芯片有三條輸出通道 其中兩條可以 利用同步整流降壓架構 提高中 高電流 負載 每通道 5a 至 15a 的操作效率 而且這款芯片內置低壓降穩壓控制器 可以提供第三條輸出通道 進行低功率 輸出 其中一條開關輸出的電壓範圍介 於 0 900v 及 2 000v 之間 是數字芯片 內核的理想供電來源 另一條開關輸出 通道的電壓範圍則介於 1 25v 至 6v 之 間 是輸入 輸出 存儲器及其他負載的 可靠供電來源 若有需要進一步提高準 確度及設計靈活性 工程師可以利用 5 位 元的並行數字字設定低電壓輸出 這個功 能甚至可與處理器連接一起 以便有需要 時可以靈活調節電壓 部分系統只需採用一個輸出電壓不超過 1 25v 的雙通道同步降壓控制器 對於這 類系統來說 引腳數目較少的 lm2657 芯 片是另一可以考慮的理想解決方案 對於 需要提供 3 或 4 條供電幹線的低功率系統 來說 lp3906 芯片也不失為理想的解決 方案 因為這款芯片內置兩條 1 5a 的同 步開關輸出通道以及兩條 300 ma 的低壓 降穩壓器輸出通道 上述示例顯示 目前大部分 fpga 芯片的內核電壓都規 定必須低至 1 50v 或 1 20v 有時甚至更低 xilinx 最新 推出的 virtex 5 系列 fpga 芯片便採用 1 0v 65 nm 的內 核電路 市場上許多穩壓器都內置這類 1 25v 的標準帶 隙電壓參考電路 圖 4 及圖 5 是兩幅簡化的電路圖 這 兩個實例顯示如何採用像 lm2717 一類的標準帶隙集 成電路為次帶隙數字負載提供供電 以這兩個實例來 說 電壓轉換器的運作原理基本上一樣 但利用電阻分 壓器的電壓作為參考並據此設定穩壓器輸出電壓的方式 則各不相同 xilinx virtex 5 fpga lm2633 vco vc1 vc2 vc3 vc4 ss1 ss2 drv1 fb1 drv2 fb2 g3 fb3 vin 4 5v to 30v 1 0v 3 3v 2 5v vccint vccaux vcco 圖 3 lm2633 三通道開關 線性控制器可為高功率的 fpga 提供 1 0v 的內核供電 3 3v 的輸入 輸出供電以及 2 5v 的 vccaux 供電 altera cyclone ii fpga lm2717 shdn1 shdn2 ss1 ss2 fb2 fb1 vin 4v to 20v 1 2v 3 3v vccint vccio 圖 4 可提供 1 2v 內核供電及 3 3v 輸入 輸出供電的 lm2717 高集成度 雙通道開關穩壓器可為 fpga 提供供電 其中的 3 3v 供電可作為輔助 供電使用 以便為內核電路提供不超過 1 25v 的供電 p 7 product highlights 1 2v 輸出的低壓降穩壓器可為新一代數字內核電路 提供供電 800 ma 的 lp3879 低壓降穩壓器可提供 1 初始輸出電壓的準確度 lp3879 芯片的特色 1 的初始輸出電壓準確度 輸入電壓 2 5v 至 6 0v 另有 1 0v 至 1 2v 的電壓可供客戶選擇 停機時 靜態電流不超過 10 a 輸出噪音低至 18 v 有助進一步減少噪音 有 psop 8 及 llp 8 兩種錶面貼裝封裝可供選擇 可為 fpga 提供供電的低壓降穩壓器 產品編號輸出電壓范圍輸入電壓范圍輸出電流產品特色 lp388560 8v 至 1 2v1 3v 至 5 5v 3a允許引腳 lp388590 8v 至 1 2v1 3v 至 5 5v 3a軟啟動引腳 lp38791v 至 2v2 5v 至 6v800 ma停机引腳 lp38781v 至 5 5v2 5v 至 16v800 ma可調節輸出 lp59511 3v 至 3 3v1 8v 至 5 5v150ma靜態電流流低至 29 a 必須設有 3v 至 5 5v 的輸入偏置電壓供電 fpgalp3879 shutdown bypass 2 5v to 6 0v1 2v at 800 ma core 1 202 1 200 1 198 40 25 0 25 50 75 100 125 junction temperature c vout v vout vs temperature vout 1 2v 1 204 1 206 1 196 1 194 如欲查詢有關產品的詳細資料 請瀏覽 7 feature article 可支持 fpga 的單芯片電源管理解決方案 以閉環式的穩壓器電路為例來說 輸出電壓經過電阻分壓器調低之 後 便會以內部參考電壓作為標準 與之比較 若參考電壓為 1 25v 已 調低的輸出電壓必鬚根據這個參考 值重新調節 然後才可通過反饋引 腳傳送到穩壓器芯片進行穩壓 以 典型的應用為例來說 這個反饋分 壓器置於輸出電壓 最高電位 及接 地 最低電位 之間 因為反饋電壓 為 1 25v 剛好位於這兩個高低點之 間 對於輸出電壓必須低於內部參 考電壓的系統來說 我們仍要為反 饋引腳提供一個相應電壓 1 25v 但這個數值現在已超出輸出電壓 已 下跌至更低位 與接地之間的電壓範 圍外 為了確保 1 25v 的相應電壓不超出這個電壓範圍 之外 分壓器必須置於輸出電壓 這個電壓現已成為最 低電位及處於分壓器的較低端 與任何 1 25v 以上的輔 助電壓 用作較高電位 之間 圖 4 的示例採用 altera 的 cyclone ii 1 20v fpga 芯片及 美國國家半導體的 lm2717 芯片 以這個配置來說 這 是實現設計最簡單的方法 而較高的供電電壓則來自 3 3v 供電幹線 這條供電幹線必須有足夠的濾波 而且電路 佈局必須構思慎密 我們建議將去耦陶瓷電容器置於靠 近電阻分壓器較低端與 3 3v 供電幹線的交接點 因為 次帶隙輸出電壓能否保持穩定取決於這個供電電壓是否 穩定 順序供電功能也很重要 因為內核供電電壓啟動 之前 必須先啟動 3 3v 的供電電壓 才可確保電壓穩定 對於大部分 fpga 芯片來說 1 20v 或 1 0v 的額定內 核供電電壓必須穩定在 50 mv 或 60 mv 的範圍內 因此瞬態響應 紋波及容差的所有差異都必須限定在一 定的範圍之內 圖 5 顯示另一個實現次帶隙輸出的方法 辦法是利用獨 立的電源作為輔助供電 以這個示例來說 這個獨立電 源來自低成本的小型並聯參考電路 高精度齊納 zener 二極管 例如美國國國家半導體的 lm4040cim3 2 5 0 5 或 lm4040dim3 2 5 1 只要採用這個設計 3 3v 輸出電壓的瞬態便不會與 1 20v 的穩壓輸出交叉 耦合 而 3 3v 供電幹線也可在 1 2v 供電電壓啟動之 後才啟動 或隨時關閉而不會對 1 2v 的穩壓輸出造成 干擾 這個輸出電壓是否準確取決於選用的電壓參考電 路的線路穩壓效果 由於系統的內核電壓準確度極為重 要 因此選用合適的電壓參考電路是系統設計的成敗 關鍵 目前系統設計工程師設計電源供應系統時 可以利用很 多現有的資源 以確保供電系統能發揮最高的性能 例 如 美國國家半導體便特別為用戶提供的 power expert 軟件設計工具 讓用戶可以輕易挑選適用的 fpga 確 定供電幹線和操作條件 此外 這套設計工具還會根 據設計工程師的要求 例如追求的是高效率還是簡化的 設計 為其度身訂造一個最理想的電源管理解決方 案 務求能滿足工程師的嚴格設計要求 這套軟件設 計工具也通過鏈路連接美國國家半導體的 webench 設計網頁 讓用戶可以挑選適用的穩壓器芯片 以及 進行電路模擬測試 但所選用的穩壓器必須具備這個 功能 如欲進一步查詢有關這些設計工具的資料 可瀏覽 及 網頁 altera cyclone ii fpga lm2717 shdn1 shdn2 ss1 ss2 fb2 fb1 vin 4v to 20v 1 2v 3 3v vccint vccio 圖 5 可提供 1 2v 內核供電 3 3v 輸入 輸出供電的 lm2717 高集成度 雙通道開關穩壓器可為 fpga 提供供電 其中的 lm4040 並聯參考電路則 提供不超過 1 25v 的內核供電 網上設計工具 索取詳細產品資料 歡迎查閱美國國家半導體 的網頁 網址為 技術支持網址為 support webench 網上設計 提供網上 電源供應器設計 放大器及有源濾波器設計 音頻系統設計 無線系統設計 a d 轉換器 我們的設計及建模工具有助精簡及加快整個設計過程 1 挑選元件 2 構思設計 3 進行分析 4 親自組建電路 而且很快便會收到量身訂造的原型套件 如欲查詢有關產品的詳細資料及尋求技術支援 可瀏覽美國國家半導體以下各網頁 放大器 音頻產品 a d 轉換器 接口產品 低電壓差動訊號傳輸 lvds 產品 電源管理產品 熱能管理產品 晨興安富利有限公司 電話 010 8206 2488 傳真 010 8206 2427 電話 021 5206 2288 傳真 021 5206 2299 電話 0755 8378 1886 傳真 0755 8378 3656 棋港電子有限公司 電話 010 8837 7016 傳真 010 6835 8255 電話 021 6354 1141 傳真 021 6353 6038 電話 0755 8328 1338 傳真 0755