【導讀】要想獲得優(yōu)異的電源，一種方法是利用電源模塊或FPGA套件的評價結(jié)束后，移植到實機時，采用參考設(shè)計；同時采用獨自進行板上電源設(shè)計的也為數(shù)不少。本文介紹最新FPGA所需求的電源IC，最高效率達95%以上，性能非常好，而且通用性強。
近年來，電子設(shè)備（應用）的多樣化與高性能化以驚人的速度不斷發(fā)展。可以說，這種趨勢使各產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短，并給半導體技術(shù)帶來了巨大的發(fā)展空間。
在這種背景下，被稱為FPGA的LSI為電子設(shè)備的開發(fā)作出了巨大貢獻，它比以往任何時候更引人關(guān)注，市場規(guī)模不斷擴大。
1．何謂FPGA
FPGA為Field Programmable Gate Array的縮寫，意為在現(xiàn)場（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，簡言之，即“后期電路可擦寫邏輯元件”。
產(chǎn)品售出后也可進行再設(shè)計，可順利進行產(chǎn)品的更新以及新協(xié)議標準的應對。這是制成后內(nèi)容即被固定的ASIC (Application Specific Integrated Circuit：特定應用定制IC）和ASSP （Application Specific Standard Product：特定應用的功能專業(yè)化的標準、市售IC）所沒有的、只有FPGA才具備的特點。
FPGA不僅具備可再編程的靈活性，隨著近年來技術(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)備中的應用日益廣泛。
2．FPGA所需求的電源規(guī)格
ROHM于今年7月開發(fā)出并發(fā)布了對應最新FPGA的、即Xilinx公司生產(chǎn)的28nm制程7系列的開關(guān)穩(wěn)壓控制器“BD95601MUV(1ch)”、“BD95602MUV(2ch)”。另外，還開發(fā)出用于AVNET Internix公司FPGA用開發(fā)套件(Mini Module Plus)（圖1）的電源模塊板。（圖2）
圖1：AVNET Internix公司生產(chǎn)的FPGA用開發(fā)套件（Mini Module Plus）
圖2：ROHM電源模塊板
這兩種成為參考設(shè)計的電源IC性能非常好，而且通用性強，不僅可用于FPGA，還可在更廣泛的應用中使用。
最近的高端FPGA（此次AVNET Internix公司的開發(fā)套件為Xilinx Kintex-7用），由于其制程工藝的微細化以及與其相應的低電壓化、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，必然需要先進的電源管理。電壓精度當然要求低波紋，而且要求具備投入時序管理和優(yōu)異的負載瞬態(tài)響應性能。圖3為ROHM電源模塊的輸出結(jié)構(gòu)，表示生成上述項目的各開關(guān)穩(wěn)壓控制器與電壓/電流。
圖3：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，當電壓較低時，實際的容許電壓值要求嚴格。這對于具有波紋電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器來說是非常苛刻的條件，如果負載瞬態(tài)響應速度不夠快，也很容易超出容許范圍。對于電源來說，實現(xiàn)低電壓高電流輸出、高精度高穩(wěn)定性是巨大的課題。
另外，不僅是電源精度，對于多數(shù)電源來說，都已詳細規(guī)定了電源上電時序、斷電時序，不滿足這些要求就會發(fā)生FPGA不啟動等問題。
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實現(xiàn)高速負載瞬態(tài)響應的ROHM開關(guān)穩(wěn)壓控制器
使這些FPGA可靠地啟動、穩(wěn)定地工作的開關(guān)穩(wěn)壓控制器“BD95601MUV(1ch)”、“BD95602MUV(2ch)”的主要規(guī)格如下。
【特點】
●采用ROHM獨創(chuàng)的可高速負載瞬態(tài)響應的H3RegTM控制方式
●最高效率達95%以上
●可選擇輕負載時進行間歇脈沖控制的輕負載模式、重視低波紋控制的PWM連續(xù)控制模式、輕負載時防嘯叫控制的靜音輕負載模式
●搭載實現(xiàn)多種電源時序的可調(diào)軟啟動端子、P.G.輸出端子
●搭載各種保護功能(OCP、SCP、UVLO、TSD)
【規(guī)格概要】
參見表1。基本上，兩種產(chǎn)品都是高效同步整流的降壓型控制器，不僅在重負載時的效率高，輕負載時的效率也很高。標準電壓為0.75V/0.7V，適用低電壓，±1%的精度對于前述的±3%的精度來說具有充分的余量。不僅如此，通過ROHM獨創(chuàng)的H3RegTM控制模式實現(xiàn)了高速負載瞬態(tài)響應（圖4），非常適合用作FPGA電源。
表1：BD95601MUV(1ch)、BD95602MUV(2ch)的規(guī)格概要
圖4：負載電流急劇變動也可用最小限的電壓降實現(xiàn)高速負載瞬態(tài)響應
【高速負載瞬態(tài)響應H3RegTM控制】
為了提高負載瞬態(tài)響應的速度，有一種解決方案是使用恒定導通時間控制，但H3RegTM控制是進一步提高負載急劇變動時的瞬態(tài)響應速度的、改進型(改良形)恒定導通時間控制方式（圖5）。
圖5：ROHM獨創(chuàng)的高速負載瞬態(tài)響應H3RegTM控制
●為了與內(nèi)部電壓控制比較器輸入的標準電壓(REF)進行比較，將被分壓的輸出電壓反饋給FB引腳；
●在正常運行中，H3RegTM控制器一旦檢測到FB引腳的電壓低于REF電壓，在下述公式規(guī)定的時間(tON)之內(nèi)，導通高邊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)導通，F(xiàn)B引腳電壓開始下降，當與REF電壓達到一致時關(guān)斷LG。
●通過這樣的反復運行，保持輸出恒定；
●負載急劇變動時，輸出降低、過了FB引腳電壓所規(guī)定的tON時間還沒有上升到REF電壓以上時，可通過延長tON時間、供給更多的電力來加快輸出電壓的恢復,即提高負載瞬態(tài)響應特性；
●輸出電壓恢復，即返回正常運行。
3．整合FPGA參考設(shè)計，獲得優(yōu)異的電源特性
圖6為此次AVNET Internix Kintex7用ROHM電源模塊的VMGTAVtt輸出波形。由圖可見，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6：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套件的評價結(jié)束后，移植到實機時，采用參考設(shè)計；同時采用獨自進行板上電源設(shè)計的也為數(shù)不少。
當然，值得強調(diào)的是，即使所有方面都進行了優(yōu)化調(diào)整，如果IC自身性能不夠好，無論如何調(diào)整也無法獲得所述的優(yōu)異特性。設(shè)計開關(guān)電源并不是一件簡單輕松的事。除了計算元件常數(shù)，為了獲得最佳特性還要進行元件的化學研究、基板設(shè)計，而且沒有調(diào)試就無法獲得真正的性能。
一直以來，ROHM在模擬設(shè)計技術(shù)方面擁有獨特優(yōu)勢，擁有可實現(xiàn)具有這樣卓越特性的模塊的元件選型和基板設(shè)計技術(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，實際使用插座連接的FMC（FPGA Mezzanine Card）有時布線會較長，在特性方面要求更加苛刻。
在這種條件下，可以自豪的說，之所以能夠供應滿足7系列高端FPGA電源需求的模塊，是因為ROHM同時擁有卓越的電源用IC與電源設(shè)計的技術(shù)。
另外，選擇作為綜合性半導體廠家ROHM的參考設(shè)計，客戶在品質(zhì)、可靠性、供應體制、服務(wù)支持、溝通等各個方面都可倍感安心，而且，ROHM不僅供應IC產(chǎn)品，還可一并供應分立器件等電氣電子元器件產(chǎn)品。
