如何利用莱迪思CertusPro-NX FPGA评估板确定效率和成本的优先级

James R. Staley 和 Matthias Bust

现代现场可编程门阵列（FPGA）系列，如莱迪思半导体CertusPro™-NX适用于广泛的应用，但功率要求是根据特定的市场驱动需求量身定制的。如果不了解如何仔细平衡成本、性能和尺寸这三要素，选择为这些器件供电的最佳方法可能具有挑战性。本文介绍了CertusPro-NX评估板的解决方案，同时也深入探讨了每种解决方案如何以及为什么提供哪些功能来优化解决方案以满足特定需求。虽然μModule电源解决方案因其小尺寸和设计简单性而为FPGA系统提供了一种非常引人注目的设计方法，但电源系统架构师可能会考虑其他选项。

介绍

莱迪思半导体CertusPro-NX评估板旨在让用户研究和试验CertusPro-NX FPGA的特性。它的功能可以帮助用户快速原型设计和测试其特定设计。该评估系统包括用于FPGA电源选项的板载稳压器。大多数电源轨可根据用户的喜好进行选择。

本文旨在为莱迪思半导体CertusPro-NX FPGA评估板的每个电源选项提供最新的功耗建议。考虑到设计复杂性、效率、解决方案尺寸和成本，该电源解决方案必须包括最先进且性能最佳的电源产品。通常情况下，评估板采用电源架构设计，以展示FPGA的全部功能集。这种方法对于评估是必要的，但可能不适合在不要求全部性能的系统中采用。对于针对小物理板尺寸进行优化的缩小实现来说，它可能太大。哪种解决方案最适合给定的CertusPro-NX应用将取决于系统架构师认为哪些优先级对特定项目最有吸引力。

分立式解决方案（带有外部电源元件的专用电源IC）优先考虑效率性能和成本，而不是物理布局尺寸。在优先考虑最紧凑外形的系统中，ADI公司的μModule解决方案提供了传统布局无法实现的无与伦比的能量密度，同时仍比现有的CertusPro-NX参考设计具有性能优势。该参考设计在这方面是独一无二的，因为它允许系统架构师根据他们对自己所需的平台设计目标和约束的深入了解，选择他们希望将其纳入其平台的电源解决方案版本。通过仔细研究两个版本的数据，可以慎重选择哪种设计更适合尺寸、性能和成本权衡，以最大限度地与项目工程规范保持一致。

CertusPro-NX 评估板电源架构

CertusPro-NX 评估板的大部分板载稳压器均由外部 12 V 电源供电。FPGA 的每个 VCCIO 引脚都有其默认和可选的电源选项，可根据用户的应用根据其应用进行偏好。图 1 显示了连接到 FPGA 特定 VCCIO 引脚的可用电压轨。VCCIO引脚的可用电压选项总结于表1。

图1.CertusPro-NX FPGA VCCIO引脚电压选项。

 

VCCIO银行	3.3 伏	2.5 伏	1.8 伏	1.5 伏	1.2 伏	V-ADJ
VCCIO0	选择		违约
VCCIO1	固定
VCCIO2	违约	选择	选择
VCCIO3			选择		选择	违约
VCCIO4
VCCIO5
VCCIO6	违约	选择	选择
VCCIO7	固定

 

FPGA 的 VCCIO 引脚 使用 的 每 个 电压 轨 均 由 各种 板 载 稳压器 产生。主电源通过外部 12 V DC 电源供电，CertusPro-NX 评估板用户指南第 1.4 节对此进行了讨论。图2显示了板载稳压器通过12 V DC外部电源供电产生的不同电压输出轨。LDO稳压器还用于后置稳压，以产生较低的电压，同时降低输出端的噪声。

图2.CertusPro-NX 评估板电源方案。

推荐的电源解决方案架构

作为评估板的输入电压，使用稳定的12 V墙上适配器。考虑到该输入源和电路板上所需的电压电平，可以使用单个降压方法直接从12 V生成所有必要的电压轨。如果用户需要更宽的输入电压范围，或使用更高的输入电压（例如，24 V），则可以考虑切换到两步法，首先产生一个中间电压轨，例如2.5 V或0.3 V，然后可用于为产生较低电压的以下稳压器供电， 如图3所示。

图3.两种降压方法与单降压方法。

选择哪种拓扑的决定会影响各种参数，如效率、每个转换器的开关频率和总解决方案尺寸。在每次新实施中都需要仔细考虑这些，以优化每个新产品设计的电源架构。此外，可能需要适当的输入保护和滤波电路。

CertusPro-NX评估板的两种电源解决方案变体在设计时考虑了不同的优先级，均使用所述的单降压方法。第一种是分立式解决方案，它使用单片DC-DC稳压器，并提供外部电路，允许用户单独优化组件，以获得最佳性能。第二种是采用ADIμModule技术的全集成解决方案，为应用提供了最紧凑、最简单的布局解决方案，同时仍提供出色的电源解决方案性能。

LTPowerPlanner 中提供了 CertusPro-NX 评估板的更新电源解决方案架构，该工具允许优化系统级电源树。然后，LTpowerCAD用于为每个选定的DC-DC IC提供详细的电路建议，包括根据IC使用情况和周围无源元件的条目计算估计的电路性能。这些程序是Windows工具套件的一部分，可以从LTpowerCAD网页下载。此网页还提供文档、培训材料和视频以开始使用。®®

分立式电源解决方案

分立式电源解决方案允许设计人员针对特定解决方案优化外部电路组件，从而为每个电源轨提供最佳的单独DC-DC稳压器性能。更新后的分立式电源解决方案建议与现有电源解决方案相比，性能显著提高。所有DC-DC稳压器均使用同步内部开关，以最大限度地提高效率，同时仍保持紧凑的设计和出色的EMI性能。图4显示了CertusPro-NX评估板的分立解决方案电源树。

开关稳压器

LT8653S

LT8653S 采用第二代静音开关架构，以最大限度地降低 EMI 辐射，同时在高开关频率下提供高效率。带宽 V®在范围和双 2 A 输出，是理想的选择候选。

ADP2387

需要两个电压为1.8 V和3.3 V的电源轨来提供高于LT8653S所能提供的输出电流。它们分别为 4 A 和 3 A。根据这些要求，ADP2387被确定为该应用的理想选择。

线性稳压器

MAX38903C

MAX1C是一款低噪声线性稳压器，在CertusPro-NX评估板的38903 V电源轨上用作具有高噪声抑制能力的后置稳压器，在1 Hz至5 kHz范围内提供高达5 A的输出电流，输出噪声仅为10.100 μV rms。MAX38903C的低输出噪声和高噪声抑制特性使其成为CertusPro-NX评估板电源方案的明智选择。

ADP1707

ADP1707-1.8是一款CMOS低压差线性稳压器，输出电压为1.8 V，在1 mm×3 mm裸露焊盘LFCSP中提供高达3 A的输出电流。这使其成为一种非常紧凑的解决方案，并且还为需要高达1 A输出电流的应用提供出色的热性能，尺寸小，扁平，适用于CertusPro-NX评估板的电源解决方案。

μ模块电源解决方案

另一方面，在不牺牲性能质量的情况下，该模块解决方案利用ADI的μModule技术提供了最小、最简单的解决方案。ADI公司的μModule稳压器和DC-DC电源产品是完整的系统级封装（SiP）电源管理解决方案，集成了DC-DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容、补偿元件和电感器，采用紧凑的表面贴装BGA或LGA封装。μModule电源产品支持降压、降压和升压、电池充电器、隔离式转换器和LED驱动器等功能。

图5显示了使用μModule部件的CertusPro-NX评估板的电源解决方案树。外部12 V输入电源之后的第一级是μModule DC-DC稳压器阵列。下一阶段由线性稳压器组成。在μModule设计（图5）或分立解决方案（图4）中选择的线性稳压器相同>。

图4.由 LTPowerPlanner 工具建模的离散解决方案电源树。

图5.μ模块解决方案电源树。

图6.离散解的VDD_1V8和VCC_3V3轨原理图。

开关稳压器模块

LTM8078

LTM8078是一款40 V在、双通道 1.4 A/单通道 2.8 A 降压静音开关 μModule 稳压器。其静音开关稳压器架构可最大限度地降低 EMI，同时在高达 3 MHz 的频率下提供高效率。 封装中包括控制器、电源开关、电感器和支撑元件。工作在宽输入电压范围和 300 kHz 至 3 MHz 的开关频率范围内，每个范围由单个电阻器设置，只需大容量输入和输出滤波电容即可完成设计，使其成为 CertusPro-NX 评估板的理想电源解决方案选项。

LTM4625

LTM4625是一款完整的5 A降压型开关模式μModule稳压器，采用纤巧的6.25 mm×6.25 mm×5.01 mm BGA封装。其高效率设计可提供高达 5 A 的连续输出电流。只需要大容量输入和输出电容。高开关频率和电流模式控制可在不牺牲稳定性的情况下对线路和负载变化做出非常快速的瞬态响应。

LTM8078 和 LTM4625 μModule 开关稳压器提供了最简单的优质解决方案，从而消除了复杂性并避免了空间限制。

电源解决方案设计详细说明 CertusPro-NX 评估板

分立式解决方案设计

根据CertusPro-NX FPGA数据手册中规定的推荐工作条件，电源电压应在典型值的±5%以内。在设计中，反馈电阻和V的容差带来的直流输出误差裁判稳压器的电压、输出电压纹波和负载瞬态响应已经在5%中考虑。由于存在这些误差，它仍将落在FPGA推荐工作条件的5%允许值范围内。

所有电源轨的完整数据可从ADI的客户办公室解决方案部门获得，但表2包括选定的电源轨，以显示1.35 A LT8653S和3 A/4 A ADP2387输出的典型代表性性能。

 

轨	装置	在外（五）	负载 （A）	效率 （%）	波纹峰峰值 （%）
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

 

轨道 1：VDD_1V8

该电压轨需要1.8 V输出电压，并且能够提供高达1.35 A的输出电流。通过使用LT8653S的一个通道可以满足这一要求。在设计中仔细观察应用输出负载电流下±5%的总输出电压误差，以确保满足推荐的工作条件。

为了实现高直流精度，利用了内部基准特性。该器件的通道配置为1.8 V反馈基准电压，消除了电阻值和容差引起的误差。图6显示了LTPowerCAD生成的VDD_1V8和VCC_3V3原理图。

在评估电源轨以确保输出处于推荐的工作条件下时，以非常快和高负载阶跃作为激励来评估负载瞬态响应。阶跃负载设置为0 A至1 A步进，压摆率为10 A/μs，脉冲持续时间为150 μs。图7显示了VDD_1V8轨的瞬态负载响应。顶部波形CH2显示输出响应，底部波形CH4显示输出负载电流。

图7.VDD_1V8瞬态负载响应。

 

参数	电压 （V）	百分比 （%）	目标限值 （%）
过头	0.057	3.2	4.0
负脉冲信号	0.055	3.2	4.0

 

从结果来看，考虑到负载瞬态期间的过冲和下冲，包括输出纹波，电压在推荐的工作条件下±5%。

轨道 2：VCC_3V3

VCC_3V3轨利用LT8653S的第二个通道和VDD_1V8。与VDD_1V8一样，VCC_3V3轨必须能够在CertusPro-NX FPGA的VCCIO引脚上提供1.35 A输出电流作为电源。还有一个用于固定3.3 V输出的IC选项，该输出带有内部调整反馈分压器，因此可实现高直流精度。原理图和电路元件值也如图6所示，瞬态响应如图8所示。顶部波形CH2显示输出响应，底部波形CH4显示输出负载电流。表4显示了瞬态负载响应结果，其中过冲和下冲（包括输出纹波）都将电压保持在推荐的±5%工作条件下。

图8.VCC_3V3轨的负载瞬态响应。

 

参数	电压 （V）	百分比 （%）	目标限值 （%）
过头	0.054	1.6	4.0
负脉冲信号	0.052	1.6	4.0

 

铁路 7： VCC_ADJ

VCC_ADJ轨需要1.8 V输出电压，并且应该能够向VCCIO和FMC连接器提供高达4 A的输出电流。在设计中仔细观察应用输出负载电流下±3%的总输出电压误差，以确保满足推荐的工作条件。

为了实现高直流精度，利用了内部基准特性。该器件的误差放大器配置为1.8 V反馈基准电压，以补偿电阻值和容差。

使用高压摆率电流阶跃评估电源轨瞬态响应，以确保输出电压在工作期间始终保持在容差限值内。阶跃负载设置为0 A至1 A步进，压摆率为10 A/μs，脉冲持续时间为150 μs。图9显示了VDD_1V8轨的瞬态负载响应。顶部波形CH2显示输出响应，底部波形CH4显示输出负载电流。

图9.VCC_ADJ瞬态负载响应。

 

参数	电压 （V）	百分比 （%）	目标限值 （%）
过头	0.048	2.7	3.0
负脉冲信号	0.048	2.7	3.0

 

从结果来看，考虑到负载瞬态期间的过冲和下冲，包括输出纹波，电压在推荐的工作条件下±5%，优于目标值3%。

轨道 8：VDD_3V3

VDD_3V3轨必须能够提供 3 A 输出电流，作为 CertusPro-NX FPGA 板的 FMC 连接器引脚的电源。瞬态响应如图11所示。顶部波形CH2显示输出响应，底部波形CH4显示输出负载电流。表6显示了瞬态负载响应结果，其中过冲和下冲（包括输出纹波）都将电压保持在推荐的工作条件下±3%。

图 10.VDD_3V3轨的负载瞬态响应。

 

参数	电压 （V）	百分比 （%）	目标限值 （%）
过头	0.09	2.7	3.0
负脉冲信号	0.082	2.5	3.0

 

μ模块解决方案设计

与上一节分立设计相同的规格适用于μModule建议，因此此处不详细讨论这些规格。μModule解决方案牺牲了一些性能，在布局上占用空间要小得多。相同的采样点将显示为比较。

ADI的客户办公室解决方案事业部提供了所有电源轨的完整数据，但表7包括选定的电源轨，以显示1.35 A LTM8078和3 A、4 A LTM4625输出的典型代表性性能。

 

轨	装置	在外（五）	负载 （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

 

轨道 1：VDD_1V8

通道 1 电压轨采用 0.1% 电阻，以确保符合应用的 DC + 瞬态总容差裕量要求。图11显示了最坏情况下负载阶跃捕获的波形数据，表8显示了捕获的光标数据的摘要。

图11.VDD_1V8瞬态负载响应。

 

参数	电压 （V）	百分比 （%）	目标限值 （%）
过头	0.0708	3.9	4.0
负脉冲信号	0.0682	3.8	4.0

 

轨道 2：VCC_3V3

VCC_3V3轨 （LTM2 的通道 8078） 还采用 0.1% 电阻器，以确保符合应用的电压裕量要求。图12显示了最坏情况下负载阶跃捕获的波形数据，表9显示了捕获的光标数据的摘要。

图 12.VCC_3V3瞬态负载响应。

 

参数	电压 （V）	百分比 （%）	目标限值 （%）
过头	0.109	3.3	4.0
负脉冲信号	0.107	3.2	4.0

 

铁路 7： VCC_ADJ

图13.VCC_ADJ瞬态负载响应。

LTM4625 通道 1 电压轨采用标准的 1% 电阻器，以确保符合应用的 DC + 瞬态总容差裕量要求。图13显示了最坏情况下负载阶跃捕获的波形数据，表10显示了捕获的光标数据的摘要。

 

参数	电压 （V）	百分比 （%）	目标限值 （%）
过头	0.019	1.1	3.0
负脉冲信号	0.024	1.3	3.0

 

轨道 8：VDD_3V3

VDD_3V3轨 （LTM2 的通道 3625） 还采用 1% 电阻器，以确保符合应用的电压裕量要求。图14显示了最坏情况下负载阶跃捕获的波形数据，表11显示了捕获的光标数据的摘要。

图 14.1VDD_3V3瞬态负载响应。

 

参数	电压 （V）	百分比 （%）	目标限值 （%）
过头	0.03	1.7	3.0
负脉冲信号	0.036	2.0	3.0

 

结论

声音功率架构需要仔细平衡与尺寸、性能和成本相关的权衡。这两种设计中的一种将更适合任何CertusPro-NX平台。如前所述，可根据要求提供两种设计所有电源轨的完整效率、纹波和瞬态数据。结果表明，无论是分立式还是模块设计方法，都能够满足CertusPro-NX的性能参数，并留出余量。任何未来的设计都应采用最适合目标市场的方法。作者希望通过对本文介绍的数据集和设计理念的仔细分析，能够自信地整合莱迪思FPGA功耗。设计工程师、系统架构师和项目经理都可以对与电源部件和拓扑选择相关的权衡取舍有共同的理解。无论个性化设计规范需要什么优先级，ADI电源解决方案都可以定制，以更符合特定标准。

审核编辑：郭婷