James R. Staley 和 Matthias Bust

現代現場可編程門陣列（FPGA）系列，如萊迪思半導體CertusPro?-NX適用于廣泛的應用，但功率要求是根據特定的市場驅動需求量身定制的。如果不了解如何仔細平衡成本、性能和尺寸這三要素，選擇為這些器件供電的最佳方法可能具有挑戰性。本文介紹了CertusPro-NX評估板的解決方案，同時也深入探討了每種解決方案如何以及為什么提供哪些功能來優化解決方案以滿足特定需求。雖然μModule電源解決方案因其小尺寸和設計簡單性而為FPGA系統提供了一種非常引人注目的設計方法，但電源系統架構師可能會考慮其他選項。

介紹

萊迪思半導體CertusPro-NX評估板旨在讓用戶研究和試驗CertusPro-NX FPGA的特性。它的功能可以幫助用戶快速原型設計和測試其特定設計。該評估系統包括用于FPGA電源選項的板載穩壓器。大多數電源軌可根據用戶的喜好進行選擇。

本文旨在為萊迪思半導體CertusPro-NX FPGA評估板的每個電源選項提供最新的功耗建議。考慮到設計復雜性、效率、解決方案尺寸和成本，該電源解決方案必須包括最先進且性能最佳的電源產品。通常情況下，評估板采用電源架構設計，以展示FPGA的全部功能集。這種方法對于評估是必要的，但可能不適合在不要求全部性能的系統中采用。對于針對小物理板尺寸進行優化的縮小實現來說，它可能太大。哪種解決方案最適合給定的CertusPro-NX應用將取決于系統架構師認為哪些優先級對特定項目最有吸引力。

分立式解決方案（帶有外部電源元件的專用電源IC）優先考慮效率性能和成本，而不是物理布局尺寸。在優先考慮最緊湊外形的系統中，ADI公司的μModule解決方案提供了傳統布局無法實現的無與倫比的能量密度，同時仍比現有的CertusPro-NX參考設計具有性能優勢。該參考設計在這方面是獨一無二的，因為它允許系統架構師根據他們對自己所需的平臺設計目標和約束的深入了解，選擇他們希望將其納入其平臺的電源解決方案版本。通過仔細研究兩個版本的數據，可以慎重選擇哪種設計更適合尺寸、性能和成本權衡，以最大限度地與項目工程規范保持一致。

CertusPro-NX 評估板電源架構

CertusPro-NX 評估板的大部分板載穩壓器均由外部 12 V 電源供電。FPGA 的每個 VCCIO 引腳都有其默認和可選的電源選項，可根據用戶的應用根據其應用進行偏好。圖 1 顯示了連接到 FPGA 特定 VCCIO 引腳的可用電壓軌。VCCIO引腳的可用電壓選項總結于表1。

圖1.CertusPro-NX FPGA VCCIO引腳電壓選項。

VCCIO銀行	3.3 伏	2.5 伏	1.8 伏	1.5 伏	1.2 伏	V-ADJ
VCCIO0	選擇		違約
VCCIO1	固定
VCCIO2	違約	選擇	選擇
VCCIO3			選擇		選擇	違約
VCCIO4
VCCIO5
VCCIO6	違約	選擇	選擇
VCCIO7	固定

FPGA 的 VCCIO 引腳 使用 的 每 個 電壓 軌 均 由 各種 板 載 穩壓器 產生。主電源通過外部 12 V DC 電源供電，CertusPro-NX 評估板用戶指南第 1.4 節對此進行了討論。圖2顯示了板載穩壓器通過12 V DC外部電源供電產生的不同電壓輸出軌。LDO穩壓器還用于后置穩壓，以產生較低的電壓，同時降低輸出端的噪聲。

圖2.CertusPro-NX 評估板電源方案。

推薦的電源解決方案架構

作為評估板的輸入電壓，使用穩定的12 V墻上適配器。考慮到該輸入源和電路板上所需的電壓電平，可以使用單個降壓方法直接從12 V生成所有必要的電壓軌。如果用戶需要更寬的輸入電壓范圍，或使用更高的輸入電壓（例如，24 V），則可以考慮切換到兩步法，首先產生一個中間電壓軌，例如2.5 V或0.3 V，然后可用于為產生較低電壓的以下穩壓器供電， 如圖3所示。

圖3.兩種降壓方法與單降壓方法。

選擇哪種拓撲的決定會影響各種參數，如效率、每個轉換器的開關頻率和總解決方案尺寸。在每次新實施中都需要仔細考慮這些，以優化每個新產品設計的電源架構。此外，可能需要適當的輸入保護和濾波電路。

CertusPro-NX評估板的兩種電源解決方案變體在設計時考慮了不同的優先級，均使用所述的單降壓方法。第一種是分立式解決方案，它使用單片DC-DC穩壓器，并提供外部電路，允許用戶單獨優化組件，以獲得最佳性能。第二種是采用ADIμModule技術的全集成解決方案，為應用提供了最緊湊、最簡單的布局解決方案，同時仍提供出色的電源解決方案性能。

LTPowerPlanner 中提供了 CertusPro-NX 評估板的更新電源解決方案架構，該工具允許優化系統級電源樹。然后，LTpowerCAD用于為每個選定的DC-DC IC提供詳細的電路建議，包括根據IC使用情況和周圍無源元件的條目計算估計的電路性能。這些程序是Windows工具套件的一部分，可以從LTpowerCAD網頁下載。此網頁還提供文檔、培訓材料和視頻以開始使用。??

分立式電源解決方案

分立式電源解決方案允許設計人員針對特定解決方案優化外部電路組件，從而為每個電源軌提供最佳的單獨DC-DC穩壓器性能。更新后的分立式電源解決方案建議與現有電源解決方案相比，性能顯著提高。所有DC-DC穩壓器均使用同步內部開關，以最大限度地提高效率，同時仍保持緊湊的設計和出色的EMI性能。圖4顯示了CertusPro-NX評估板的分立解決方案電源樹。

開關穩壓器

LT8653S

LT8653S 采用第二代靜音開關架構，以最大限度地降低 EMI 輻射，同時在高開關頻率下提供高效率。帶寬 V?在范圍和雙 2 A 輸出，是理想的選擇候選。

ADP2387

需要兩個電壓為1.8 V和3.3 V的電源軌來提供高于LT8653S所能提供的輸出電流。它們分別為 4 A 和 3 A。根據這些要求，ADP2387被確定為該應用的理想選擇。

線性穩壓器

MAX38903C

MAX1C是一款低噪聲線性穩壓器，在CertusPro-NX評估板的38903 V電源軌上用作具有高噪聲抑制能力的后置穩壓器，在1 Hz至5 kHz范圍內提供高達5 A的輸出電流，輸出噪聲僅為10.100 μV rms。MAX38903C的低輸出噪聲和高噪聲抑制特性使其成為CertusPro-NX評估板電源方案的明智選擇。

ADP1707

ADP1707-1.8是一款CMOS低壓差線性穩壓器，輸出電壓為1.8 V，在1 mm×3 mm裸露焊盤LFCSP中提供高達3 A的輸出電流。這使其成為一種非常緊湊的解決方案，并且還為需要高達1 A輸出電流的應用提供出色的熱性能，尺寸小，扁平，適用于CertusPro-NX評估板的電源解決方案。

μ模塊電源解決方案

另一方面，在不犧牲性能質量的情況下，該模塊解決方案利用ADI的μModule技術提供了最小、最簡單的解決方案。ADI公司的μModule穩壓器和DC-DC電源產品是完整的系統級封裝（SiP）電源管理解決方案，集成了DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補償元件和電感器，采用緊湊的表面貼裝BGA或LGA封裝。μModule電源產品支持降壓、降壓和升壓、電池充電器、隔離式轉換器和LED驅動器等功能。

圖5顯示了使用μModule部件的CertusPro-NX評估板的電源解決方案樹。外部12 V輸入電源之后的第一級是μModule DC-DC穩壓器陣列。下一階段由線性穩壓器組成。在μModule設計（圖5）或分立解決方案（圖4）中選擇的線性穩壓器相同>。

圖4.由 LTPowerPlanner 工具建模的離散解決方案電源樹。

圖5.μ模塊解決方案電源樹。

圖6.離散解的VDD_1V8和VCC_3V3軌原理圖。

開關穩壓器模塊

LTM8078

LTM8078是一款40 V在、雙通道 1.4 A/單通道 2.8 A 降壓靜音開關 μModule 穩壓器。其靜音開關穩壓器架構可最大限度地降低 EMI，同時在高達 3 MHz 的頻率下提供高效率。 封裝中包括控制器、電源開關、電感器和支撐元件。工作在寬輸入電壓范圍和 300 kHz 至 3 MHz 的開關頻率范圍內，每個范圍由單個電阻器設置，只需大容量輸入和輸出濾波電容即可完成設計，使其成為 CertusPro-NX 評估板的理想電源解決方案選項。

LTM4625

LTM4625是一款完整的5 A降壓型開關模式μModule穩壓器，采用纖巧的6.25 mm×6.25 mm×5.01 mm BGA封裝。其高效率設計可提供高達 5 A 的連續輸出電流。只需要大容量輸入和輸出電容。高開關頻率和電流模式控制可在不犧牲穩定性的情況下對線路和負載變化做出非常快速的瞬態響應。

LTM8078 和 LTM4625 μModule 開關穩壓器提供了最簡單的優質解決方案，從而消除了復雜性并避免了空間限制。

電源解決方案設計詳細說明 CertusPro-NX 評估板

分立式解決方案設計

根據CertusPro-NX FPGA數據手冊中規定的推薦工作條件，電源電壓應在典型值的±5%以內。在設計中，反饋電阻和V的容差帶來的直流輸出誤差裁判穩壓器的電壓、輸出電壓紋波和負載瞬態響應已經在5%中考慮。由于存在這些誤差，它仍將落在FPGA推薦工作條件的5%允許值范圍內。

所有電源軌的完整數據可從ADI的客戶辦公室解決方案部門獲得，但表2包括選定的電源軌，以顯示1.35 A LT8653S和3 A/4 A ADP2387輸出的典型代表性性能。

軌	裝置	在外（五）	負載 （A）	效率 （%）	波紋峰峰值 （%）
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

軌道 1：VDD_1V8

該電壓軌需要1.8 V輸出電壓，并且能夠提供高達1.35 A的輸出電流。通過使用LT8653S的一個通道可以滿足這一要求。在設計中仔細觀察應用輸出負載電流下±5%的總輸出電壓誤差，以確保滿足推薦的工作條件。

為了實現高直流精度，利用了內部基準特性。該器件的通道配置為1.8 V反饋基準電壓，消除了電阻值和容差引起的誤差。圖6顯示了LTPowerCAD生成的VDD_1V8和VCC_3V3原理圖。

在評估電源軌以確保輸出處于推薦的工作條件下時，以非常快和高負載階躍作為激勵來評估負載瞬態響應。階躍負載設置為0 A至1 A步進，壓擺率為10 A/μs，脈沖持續時間為150 μs。圖7顯示了VDD_1V8軌的瞬態負載響應。頂部波形CH2顯示輸出響應，底部波形CH4顯示輸出負載電流。

圖7.VDD_1V8瞬態負載響應。

參數	電壓 （V）	百分比 （%）	目標限值 （%）
過頭	0.057	3.2	4.0
負脈沖信號	0.055	3.2	4.0

從結果來看，考慮到負載瞬態期間的過沖和下沖，包括輸出紋波，電壓在推薦的工作條件下±5%。

軌道 2：VCC_3V3

VCC_3V3軌利用LT8653S的第二個通道和VDD_1V8。與VDD_1V8一樣，VCC_3V3軌必須能夠在CertusPro-NX FPGA的VCCIO引腳上提供1.35 A輸出電流作為電源。還有一個用于固定3.3 V輸出的IC選項，該輸出帶有內部調整反饋分壓器，因此可實現高直流精度。原理圖和電路元件值也如圖6所示，瞬態響應如圖8所示。頂部波形CH2顯示輸出響應，底部波形CH4顯示輸出負載電流。表4顯示了瞬態負載響應結果，其中過沖和下沖（包括輸出紋波）都將電壓保持在推薦的±5%工作條件下。

圖8.VCC_3V3軌的負載瞬態響應。

參數	電壓 （V）	百分比 （%）	目標限值 （%）
過頭	0.054	1.6	4.0
負脈沖信號	0.052	1.6	4.0

鐵路 7： VCC_ADJ

VCC_ADJ軌需要1.8 V輸出電壓，并且應該能夠向VCCIO和FMC連接器提供高達4 A的輸出電流。在設計中仔細觀察應用輸出負載電流下±3%的總輸出電壓誤差，以確保滿足推薦的工作條件。

為了實現高直流精度，利用了內部基準特性。該器件的誤差放大器配置為1.8 V反饋基準電壓，以補償電阻值和容差。

使用高壓擺率電流階躍評估電源軌瞬態響應，以確保輸出電壓在工作期間始終保持在容差限值內。階躍負載設置為0 A至1 A步進，壓擺率為10 A/μs，脈沖持續時間為150 μs。圖9顯示了VDD_1V8軌的瞬態負載響應。頂部波形CH2顯示輸出響應，底部波形CH4顯示輸出負載電流。

圖9.VCC_ADJ瞬態負載響應。

參數	電壓 （V）	百分比 （%）	目標限值 （%）
過頭	0.048	2.7	3.0
負脈沖信號	0.048	2.7	3.0

從結果來看，考慮到負載瞬態期間的過沖和下沖，包括輸出紋波，電壓在推薦的工作條件下±5%，優于目標值3%。

軌道 8：VDD_3V3

VDD_3V3軌必須能夠提供 3 A 輸出電流，作為 CertusPro-NX FPGA 板的 FMC 連接器引腳的電源。瞬態響應如圖11所示。頂部波形CH2顯示輸出響應，底部波形CH4顯示輸出負載電流。表6顯示了瞬態負載響應結果，其中過沖和下沖（包括輸出紋波）都將電壓保持在推薦的工作條件下±3%。

圖 10.VDD_3V3軌的負載瞬態響應。

參數	電壓 （V）	百分比 （%）	目標限值 （%）
過頭	0.09	2.7	3.0
負脈沖信號	0.082	2.5	3.0

μ模塊解決方案設計

與上一節分立設計相同的規格適用于μModule建議，因此此處不詳細討論這些規格。μModule解決方案犧牲了一些性能，在布局上占用空間要小得多。相同的采樣點將顯示為比較。

ADI的客戶辦公室解決方案事業部提供了所有電源軌的完整數據，但表7包括選定的電源軌，以顯示1.35 A LTM8078和3 A、4 A LTM4625輸出的典型代表性性能。

軌	裝置	在外（五）	負載 （A）	效率 （%）	瑞波峰峰值
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

軌道 1：VDD_1V8

通道 1 電壓軌采用 0.1% 電阻，以確保符合應用的 DC + 瞬態總容差裕量要求。圖11顯示了最壞情況下負載階躍捕獲的波形數據，表8顯示了捕獲的光標數據的摘要。

圖11.VDD_1V8瞬態負載響應。

參數	電壓 （V）	百分比 （%）	目標限值 （%）
過頭	0.0708	3.9	4.0
負脈沖信號	0.0682	3.8	4.0

軌道 2：VCC_3V3

VCC_3V3軌 （LTM2 的通道 8078） 還采用 0.1% 電阻器，以確保符合應用的電壓裕量要求。圖12顯示了最壞情況下負載階躍捕獲的波形數據，表9顯示了捕獲的光標數據的摘要。

圖 12.VCC_3V3瞬態負載響應。

參數	電壓 （V）	百分比 （%）	目標限值 （%）
過頭	0.109	3.3	4.0
負脈沖信號	0.107	3.2	4.0

鐵路 7： VCC_ADJ

圖13.VCC_ADJ瞬態負載響應。

LTM4625 通道 1 電壓軌采用標準的 1% 電阻器，以確保符合應用的 DC + 瞬態總容差裕量要求。圖13顯示了最壞情況下負載階躍捕獲的波形數據，表10顯示了捕獲的光標數據的摘要。

參數	電壓 （V）	百分比 （%）	目標限值 （%）
過頭	0.019	1.1	3.0
負脈沖信號	0.024	1.3	3.0

軌道 8：VDD_3V3

VDD_3V3軌 （LTM2 的通道 3625） 還采用 1% 電阻器，以確保符合應用的電壓裕量要求。圖14顯示了最壞情況下負載階躍捕獲的波形數據，表11顯示了捕獲的光標數據的摘要。

圖 14.1VDD_3V3瞬態負載響應。

參數	電壓 （V）	百分比 （%）	目標限值 （%）
過頭	0.03	1.7	3.0
負脈沖信號	0.036	2.0	3.0

結論

聲音功率架構需要仔細平衡與尺寸、性能和成本相關的權衡。這兩種設計中的一種將更適合任何CertusPro-NX平臺。如前所述，可根據要求提供兩種設計所有電源軌的完整效率、紋波和瞬態數據。結果表明，無論是分立式還是模塊設計方法，都能夠滿足CertusPro-NX的性能參數，并留出余量。任何未來的設計都應采用最適合目標市場的方法。作者希望通過對本文介紹的數據集和設計理念的仔細分析，能夠自信地整合萊迪思FPGA功耗。設計工程師、系統架構師和項目經理都可以對與電源部件和拓撲選擇相關的權衡取舍有共同的理解。無論個性化設計規范需要什么優先級，ADI電源解決方案都可以定制，以更符合特定標準。

審核編輯：郭婷