基于TPS64203开关DC/DC控制器的Spartan™-3电源管理解决方案

引言

在电子设计中，为FPGA提供稳定、高效的电源是至关重要的。本文将详细介绍基于TPS64203开关DC/DC控制器的电源管理解决方案，该方案专为Spartan™-3 FPGA设计，能够在5.0V或3.3V输入电压下提供高达3A的电流。

文件下载：XILINXPWR-079.pdf

支持的FPGA型号

该电源管理解决方案支持多种Xilinx FPGA型号，不同型号的支持情况有所不同：

• Spartan™-3：支持PR213，相关文档链接为http://wwws.ti.com/sc/techlit/slva174.pdf 。
• Spartan™-II：电路板需要进行重大修改以支持PR211，相关文档链接为http://www - s.ti.com/sc/techlit/slva172.pdf 。
• Spartan™-IIE：电路板需要进行重大修改以支持PR212，相关文档链接为http://www - s.ti.com/sc/techlit/slva173.pdf 。

方案特性

低成本高电流输出

采用Tiny SOT - 23开关DC/DC控制器U2，能够以低成本提供高达3A的电流。

可定制设计

• 电流调整：通过调整Q3的尺寸，可满足应用的ICCINT电流要求，最大可达3A。
• 电流检测优化：可以省略电流检测电阻R4，将ISNS连接到Q3的漏极，利用Q3的RDSon作为电流检测，实现有效的电流限制功能，但精度会略有降低。
• 线性稳压器选择：从TPS79xxx系列中选择线性稳压器，以满足应用的ICCO要求。

降低浪涌电流

• 外部监控IC：使用外部监控（SVS）IC U1，监测输入轨，在输入大容量电容（原理图中未显示）完全充电之前，防止稳压器启用。
• 集成软启动：U2具有集成软启动功能。
• 软启动电路：由外部PMOS晶体管Q4和支持的无源元件组成的软启动电路，为Vcco提供10ms的上升时间。
• 顺序启动：通过由双极晶体管Q1和Q2以及支持的无源元件形成的离散SVS电路，实现VCCINT、VCCAUX和VCCO的顺序启动，即VCCINT使能VCCAUX稳压器U3，VCCAUX使能VCCO稳压器U4。

满足启动要求

该设计满足Xilinx的VCCINT和VCCO启动配置文件要求，包括单调电压斜坡、浪涌电流和电源电压斜坡时间要求。

重要网络链接

• TI主页：http://www.ti.com/xilinxfpga ，可获取更多Xilinx FPGA电源管理解决方案的信息和其他参考设计。
• 数据手册：http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps64203.pdf 、http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps78601.pdf 、http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps79401.pdf 和http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tlc7705.pdf 。
• 应用笔记：
  • SLVA156：http://focus.ti.com/lit/an/slva156/slva156.pdf ，提供软启动电路的详细信息。
  • SLVA118：http://focus.ti.com/lit/an/slva118/slva118.pdf ，探讨使用线性稳压器时的热考虑因素。
  • SLVA160：http://focus.ti.com/lit/an/slva160/slva160.pdf ，指导从TPS642xx系列中选择不同选项。
  • SLVA159：http://focus.ti.com/lit/an/slva159a/slva159a.pdf ，适用于使用3.3V JTAG端口的情况。

实施注意事项

启动顺序

虽然Xilinx FPGAs不需要启动顺序，但该参考设计采用了启动顺序。这符合良好的电源设计原则，可防止因同时为大电容负载充电的浪涌电流导致输入电源电压下降。

VCCO最小斜坡时间

通过Q4软启动电路满足VCCO最小斜坡时间要求。

功率耗散和热问题

• 二极管选择：SMA封装的二极管D1仅能在环境温度低于35°C时支持3A电流。为了在更高环境温度下提供必要的功率耗散，需要将二极管升级为SMC封装或DDPAK封装，具体可参考二极管的数据手册获取热规格。
• 线性稳压器：参考线性稳压器数据手册的应用部分，了解不同环境条件下的最大功率耗散，以及为散热调整封装下方接地平面面积的指导。

TPS64203设计要点

• PMOS晶体管选择：TPS64203控制器驱动PMOS晶体管Q3的栅极电流有限，因此需要选择最大总栅极电荷Qg小于50nC的PMOS晶体管，以确保控制器正常工作。
• 电流检测：省略电流检测电阻R4，将ISNS连接到Q3的漏极，利用Q3的RDSon作为电流检测，可实现有效的电流限制功能，但精度会略有降低。

软启动电路

• PMOS晶体管选择：PMOS晶体管Q4的阈值电压VTH应至少比VCCO电压低0.9V（例如，VTH ≤ 3.3V - 0.9V = 2.4V）。此外，当由线性稳压器的输出驱动时，晶体管的RDSon应足够低，以确保在最大电流下（例如，ICCINTmax * RDSon）晶体管上的电压降不会使VCCO低于其 - 5%的容差。
• 电容要求：Q4的漏极需要至少10uF的总电容，以确保软启动电路正常工作。FPGA的VCCO轨所需的额外大容量旁路电容（原理图中未显示）很可能满足这一要求。

布局

1.0uF电容C7应尽可能靠近TLC77xx SVS IC的VDD和GND放置。

修改建议

• TLC7705 CT引脚：TLC7705的CT引脚未连接，但可与电容一起使用，在5V轨上升和TPS64203的RST = /EN之间添加延迟。
• 3.3V电源适配：省略U4电路，用TLC7733替换TLC7705。
• 低成本替代方案：对于U1的低成本离散电源电压监控电路替代方案，可参考参考设计PR286（高电平有效复位输出）或PR281（低电平有效复位输出）。

3.3V配置

Spartan - 3 FPGA配置和JTAG端口通常使用2.5V摆幅的信号。也可以通过添加一些外部电阻使用3.3V信号，但3.3V信号可能会导致反向电流从某些配置和JTAG输入引脚通过FPGA流到VCCAUX电源轨。因此，实施时请参考应用笔记SLVA159（http://focus.ti.com/lit/an/slva159a/slva159a.pdf ）。

物料清单

COUNT	RefDes	Description	SIZE	MFR	Part Number
1	C1	电容，陶瓷，22 - uF，10 - V，X5R，10%	1210	muRata	GRM32ER61A226KA65
0	C10, C11	电容，陶瓷，xx - uF，xx - V	603
4	C2, C3, C4, C5	电容，陶瓷，2.2 - uF，6.3 - V，X5R，10%	805	muRata	GRM21BR60J225KC01
3	C6, C12, C13	电容，钽，100 - uF，10 - V，95 - 毫欧，20%	7343 (D)	Vishay	594D107X0010D2T
1	C7	电容，陶瓷，0.1 - uF，25 - V，X7R，10%	603	muRata	GRM188R71E104KA01
1	C8	电容，陶瓷，0.033 - uF，16 - V，X7R，10%	603	muRata	GRM188R71C333KA01
1	C9	电容，陶瓷，1.0 - uF，6.3 - V，X5R，10%	603	muRata	GRM188R60J105KA01
1	D1	二极管，肖特基势垒整流器，3 - A，20 - V	SMA	Diodes Inc.	B320A
8	J1 - J8	接头，2 - 引脚，100mil间距，(36 - 引脚条)	0.100 x 2	Sullins	PTC36SAAN
1	L1	电感器，SMT，4.7 - uH，4.5 - A，2 - 毫欧	0.484 x 0.484	Coilcraft	MSS1260 - 472MX
2	Q1, Q2	双极型，NPN，30 - V，800 - mA，310 - mW	SOT23	Vishay	BC818 - 16
1	Q3	MOSFET，P - 沟道，20V，4.8 - A，76 - 毫欧	1206 - 8	Vishay	Si5475DC
1	Q4	MOSFET，P - 沟道， - 20 V，4 A，51 毫欧	SOT23	Vishay	Si2323DS
0	Q5	MOSFET，N - 沟道	SOT23
0	Q6	MOSFET，P - 沟道	SOT23
4	R1, R2, R5, R13	电阻，贴片，100k - 欧姆，1/16 - W，1%	603	Std	Std
1	R3	电阻，贴片，221k - 欧姆，1/16 - W，1%	603	Std	Std
1	R4	电阻，贴片，0.02 - 欧姆，1/4 - W，1%	1210	Std	Std
1	R6	电阻，贴片，210k - 欧姆，1/16 - W，1%	603	Std	Std
1	R7	电阻，贴片，100 - 欧姆，1/16 - W，1%	603	Std	Std
3	R8, R11, R14	电阻，贴片，0 - 欧姆，1/16 - W，5%	603	Std	Std
0	R9, R10, R12, R15, R16	电阻，贴片，xx - 欧姆，1/16 - W	603
1	S1	开关，1P2T，滑动式，PC安装，200 - mA	0.46 x 0.16	E_Switch	EG1218
1	U1	IC，电压监控器，微功耗	TSSOP - 8	TI	TLC7705PW
1	U2	IC，降压控制器	SOT23 - 6	TI	TPS64203DBV
1	U3	IC，超低噪声，高PSRR，快速RF 250 mA，LDO线性稳压器，2.5V	MSOP 8	TI	TPS79425DGN
1	U4	IC，超低噪声，高PSRR，快速RF 1.5A LDO线性稳压器	DDPAK - 5	TI	TPS78633KTT
1	--	PCB，2.7 In x 2.45 In x 0.062 In		Any	HPA079

总结

基于TPS64203开关DC/DC控制器的电源管理解决方案为Spartan™-3 FPGA提供了一种稳定、高效且可定制的电源解决方案。通过合理选择元件、优化布局和考虑热问题，可以确保该方案在不同应用场景下的可靠性和性能。在设计过程中，工程师应仔细参考相关的数据手册和应用笔记，根据具体需求进行调整和优化。你在实际设计中是否遇到过类似的电源管理问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。