采用DC/DC电源变换器实现电源管理的应用设计

DC-DC电源芯片是一种用于控制和调节直流电压的电路，为各种电子系统提供稳定可靠的DC电压。它们在移动设备、通信产品、汽车、医疗仪器和各种工业领域等各种应用中都有广泛的用途。随着电子产品复杂度和功能性的不断提升，DC-DC电源芯片的重要性也在不断增加。

目前市场上有各种不同种类和尺寸的DC-DC电源芯片。下面我们将介绍其中的一些。

1. 线性稳压器型

线性稳压器型DC-DC电源芯片通过将输入电压降低到所需的输出电压来保持稳定电压输出。这类芯片能够提供高精度的输出电压，并能快速响应负载变化，但效率较低，不适合在需求功率较高的应用中使用。

2. 拉升型DC-DC电源芯片

拉升型DC-DC电源芯片也称为升压芯片，它们可以将低电压转换为高电压输出。这类芯片具有高效率和灵活性，因此在电池供电设备、LED照明、数码摄像机等电子产品中被广泛应用。

3. 降压型DC-DC电源芯片

降压型DC-DC电源芯片可以将高电压降低为所需的输出电压。这类芯片是一种高效、低成本的电源解决方案，在便携式设备、嵌入式系统、机器人等应用中得到广泛应用。

4. 带负载开关的DC-DC电源芯片

带负载开关的DC-DC电源芯片也称为SWITCH-MODE电源，具有高效率和低损耗的优点。这类芯片可以将输入电压转换为需要的输出电压，而且还具有快速响应和较大容量的特点，因此在高功率需求的领域如工业自动化、RF通讯等领域得到广泛应用。

5. 可编程DC-DC电源芯片

可编程DC-DC电源芯片是一种新型的芯片，它可以通过编程来调整电源输出电压和电流。这类芯片适合在需要频繁调节电压的场合，如变频器、无线电通信、音视频处理等应用中使用。

以上是目前市场上常用的DC-DC电源芯片类型。当然，各类型号的芯片在不同应用下会有不同的特点和优点，因此在应用时需要选择合适的芯片。

除了芯片类型，芯片制造商也是影响芯片质量和性能的因素。目前市场上有不少知名的DC-DC电源芯片厂商，如TI、ADI、ST及ON等，它们的电源芯片产品质量一般视为比较好的。

总之，DC-DC电源芯片在各种电子产品中都扮演着重要的角色。芯片种类的选择要符合实际应用的需求，这样能够确保产品的稳定性和可靠性。同时也需要选择良好的品牌厂商，来确保产品的品质和性能。

目前比较常见的供电解决方案主要是LDO稳压器、DC/DC芯片或电源模块。LDO稳压器具有电路设计简单、输出的电源电压纹波低的特点，但是它的一个明显劣势是效率也很低;而基于DC/DC芯片的解决方案能够保证较高的电源转换效率，散热容易一些，输出电流也更大，是大规模FPGA器件的最佳选择;而电源模块简单实用并且能够有更稳定的性能，只不过价格通常比较昂贵，在成本要求不敏感的情况下，是FPGA电源设计的一种最为简单快捷的解决方案。以笔者多年的经验来看，在LDO稳压器、DC/DC芯片或电源模块的选择上，一般遵循以下原则：

● 电流低于100mA的电压可以考虑使用LDO稳压器产生，因为电路简单、使用元器件少、PCB面积占用小，且成本也相对低廉。

● 对电源电压的纹波极为敏感的供电考虑使用LDO，如CMOS Sensor的模拟供电电压、ADC芯片的参考电压等。

● 除了上述情况，一般电流较大、对电源电压纹波要求不高的情况，都尽量考虑使用DC/DC电路，毕竟它能够提供大电流供电，且提供最好的电源转换效率。

● 对于电源模块，笔者见到最多的是军工等成本不敏感、板级PCB空间较大的应用中使用，它其实是LDO稳压器和DC/DC电路优势的整合。

与任何电子元器件一样，FPGA器件需要有电源电压的供应才能工作。尤其对于规模较大的器件，其功耗也相对较高，其供电系统的好坏将直接影响到整个开发系统的稳定性。所以，设计出高效率、高性能的FPGA供电系统具有极其重要的意义。

不同的FPGA器件、不同的应用方式会有不同的电压电流的需求。如图2.4所示，简单的归纳，可以将FPGA器件的电压需求分为三类：核心电压、I/O电压和辅助电压。

核心电压是FPGA内部各种逻辑电路正常工作运行所需要的基本电压，该电压用于保证FPGA器件本身的工作。通常选定某一款FPGA器件，其核心电压一般也都是一个固定值，不会因为电路的不同应用而改变。核心电压值可以从官方提供的器件手册中找到。

I/O电压顾名思义便是FPGA的I/O引脚工作所需的参考电压。在引脚排布上，FPGA与ASIC最大的不同，便是FPGA所有的可用信号引脚基本都可以作为普通I/O使用，其电平值的高低完全由器件内部的逻辑决定。当然了，它的高低电平标准也受限于所供给的I/O电压。任何一片FPGA器件，它的I/O引脚通常会根据排布位置分为多个bank。同一个bank内的所有I/O引脚所供给的I/O电压是共用的，可以给不同的bank提供不同的I/O电压，它们彼此是不连通的。因此，不同bank的不同I/O电压为FPGA器件的不同接口应用提供了灵活性。这里举一个例子，Cyclone IV系列器件的某些bank支持LVDS差分电平标准，此时器件手册会要求设计者给用于LVDS差分应用的bank的I/O电压供2.5V电压，这就不同于一般的LVTTL或LVCOMS的3.3V供电需求。而一旦这些用于LVDS传输的I/O bank电压供给为2.5V，那么它就不能作为3.3V或其他电平值标准传输使用了。

除了前面提到的核心电压和I/O电压，FPGA器件工作所需的其它电压我们通常都称为辅助电压。例如FPGA器件下载配置所需的电压，当然了，这里的辅助电压值可能与核心电压值或I/O电压值是一致的。很多FPGA的PLL功能块的供电会有特殊要求，也可以认为是辅助电压。由于PLL本身是模拟电路，而FPGA其他部分的电路基本是数字电路，因此PLL的输入电源电压也很有讲究，需要专门的电容电路做滤波处理，而它的电压值一般和I/O电压值不同。此外，例如Cyclone V GX系列FPGA器件带高速Gbit串行收发器，通常有额外的参考电压;MAX10系列器件的ADC功能引脚电路也需要额外的参考电压;一些带DDR3控制器功能的FPGA引脚上通常也有专门的参考电压……诸如此类的参考电压我们都可以归类为FPGA的辅助供电电压，在实际电源电路连接和设计过程中，都必须予以考虑。

目前比较常见的供电解决方案主要是LDO稳压器、DC/DC芯片或电源模块。LDO稳压器具有电路设计简单、输出的电源电压纹波低的特点，但是它的一个明显劣势是效率也很低;而基于DC/DC芯片的解决方案能够保证较高的电源转换效率，散热容易一些，输出电流也更大，是大规模FPGA器件的最佳选择;而电源模块简单实用并且能够有更稳定的性能，只不过价格通常比较昂贵，在成本要求不敏感的情况下，是FPGA电源设计的一种最为简单快捷的解决方案。以笔者多年的经验来看，在LDO稳压器、DC/DC芯片或电源模块的选择上，一般遵循以下原则：

● 电流低于100mA的电压可以考虑使用LDO稳压器产生，因为电路简单、使用元器件少、PCB面积占用小，且成本也相对低廉。

● 对电源电压的纹波极为敏感的供电考虑使用LDO，如CMOS Sensor的模拟供电电压、ADC芯片的参考电压等。

● 除了上述情况，一般电流较大、对电源电压纹波要求不高的情况，都尽量考虑使用DC/DC电路，毕竟它能够提供大电流供电，且提供最好的电源转换效率。

● 对于电源模块，笔者见到最多的是军工等成本不敏感、板级PCB空间较大的应用中使用，它其实是LDO稳压器和DC/DC电路优势的整合。