采用恒定频率设计的单片同步降压DC-DC转换器

时间：2024-08-16 07:08:58

关键字：高速低功耗可编程逻辑

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[导读]随着工艺技术的发展与市场需求，超大规模、高速、低功耗的新型现场可编程逻辑器件(FPGA)不断推出，给电路设计带来极大的方便。

随着工艺技术的发展与市场需求，超大规模、高速、低功耗的新型现场可编程逻辑器件(FPGA)不断推出，给电路设计带来极大的方便。在采用大规模FPGA的开发系统中，供电模块的设计将直接影响到系统的稳定性，因此设计出高效、稳定的供电模块显得尤为重要。本文以可扩展网络交换调度系统的FPGA验证平台为例，介绍FPGA供电模块的设计方法。

目前，FPGA、DSP等芯片的电源供电方案主要有三种：低压差线性稳压器(LDO)、电源模块和开关稳压电源。其中采用集成FET的称为DC/DC调整器，采用非集成FET的称为DC/DC控制器。

采用恒定频率设计的单片同步降压DC-DC转换器

LDO的基本原理是根据负载电阻的变化情况调节自身的内阻，从而保证稳压器输出端的电压不变，因此LDO只适用于降压变换。其具体效果与输入/输出电压比有关，变换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。由于采用线性调节原理，瞬态特性好。LDO本质上没有输出纹波，但随着LDO的输入/输出电压差别增大或者输出电流增加，LDO的发热比会成比例增大，所以在散热控制方面要求很高。LDO稳压器为电流输出要求较低的应用提供了体积小且廉价的解决方案。

DC/DC调整器利用了磁场储能，无论升压、降压或是两者同时进行，都可以实现相当高的变换效率。由于变换效率高，因此发热很小，散热处理得以简化，所以DC/DC调整器一般不再需要附加一个成本较高、面积较大的散热器。考虑到DC/DC调整器集成有FET，使用时只需外接一个电感和必不可少的输入电容和输出电容，故可以使整个解决方案的空间利用率大大提高，尤其对于需要大电流的FPGA来说十分理想。由于是开关稳压器电源，与LDO相比，DC/DC 调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较慢、容易产生电磁干扰(EMI)。要取得低纹波、低EMI、低噪声的电源，关键在于电路设计，尤其是输入/输出电容、输出电感的选择和布局。DC/DC调整器占用面积较大。

DC/DC控制器和DC/DC调整器的差别主要是没有内置的FET。因此，设计者可以选用有特定导通电阻的外接FET晶体管，并根据应用的需要调整电流，使设计具有很大的灵活性，这在需要十几甚至几十安培电流的特大规模FPGA开发系统中非常有用。与DC/DC调整器相比，采用这种方案设计，既要选择适当的输入电容/输出电容、输出电感，又要选择符合要求的FET，增加了设计难度和总成本。此外，由于FET外置，占用空间也相对较大。

电源模块从原理上来说是个开关稳压器，所以它的效率非常高。相对于普通开关稳压器，它的集成度更高，因此外围只需要一个输入电容和一个输出电容即可工作，设计简便，适合要求开发周期非常短的应用。它一般以可插拔的形式给出。由于电源模块上集成了几乎所有可以集成的东西，灵活性相对较差，价格也相对较高。

器件选型与功能介绍

本文中的交换调度系统的FPGA验证平台采用4片Xilinx VirtexII FPGA作为网络包调度器实现可扩展的交换调度功能，其中VirtexII的核心电压VCCINT为1.5V，辅助电压VCCAUX和输出驱动电压 VCCO均为3.3V。由于需要对4片FPGA供电，电源板面积较大。为了调试方便，对整个供电电路采用单独设计制板，根据器件和系统的要求，本设计采用 DC/DC调整器方案。

采用DC/DC调整器的供电方案虽然有多种，但考虑到每个供电模块需要对两片FPGA供电，而且通过仿真估算出的每片FPGA的最大电流为2A左右，加上一定的裕量，因此需要单个供电模块最大能够提供6A左右的电流。

TPS54610是TI公司专门为DSP、ASIC和FPGA等多芯片系统供电而设计的一款低电压输入、大电流输出的同步降压DC/DC调整器，内含 30MΩ、12A峰值电流的MOSFET开关管，最大可输出6A电流。输出电压从0.9V到3.3V可调，误差率为1%。开关频率可固定在350kHz或 550kHz,也可以在280kHz到700kHz之间调整。另外，它还具有限流电路、低压闭锁电路和过热关断电路。而且TPS54610的集成化设计又减少了元件数量和体积，因此，可广泛用于低电压输入、大电流输出的分散电源系统中。经过分析，采用两片TPS54610为两片FPGA供电的方案。

WD5034采用恒定频率，平均电流模式控制架构，是一款高效率，单片同步降压DC-DC转换器。能够提供高达3.1A的连续负载，具有出色的线路和负载调节能力。该器件在7V-32V的输入电压范围内工作，并提供3.6V-25V的可调输出电压。适用于车载充电器、可充电便携设备、网络系统、分布式电力系统等。

其特点有：

90%以上的转换效率;

CC/CV模式控制;

100%占空比;

内置可调线路补偿;

可调输出电压;

±1.5%输出电压精度;

±5%电流限制精度;

集成70mΩ高边开关，30mΩ低边开关;

可编程频率(130KHz-300KHz);

轻负载下的突发模式操作;