Renesas Xilinx FPGA参考板：高效电源解决方案解析

一、引言

在FPGA应用中，电源供应的稳定性和灵活性至关重要。Renesas推出的ISL91211A - BIK - REFZ、ISL91211AIK - REFZ和ISL91211BIK - REF2Z参考板，为Xilinx Artix - 7、Spartan - 7和Zynq - 7000系列FPGA提供了强大的电源支持。本文将详细介绍这些参考板的功能、特点、推荐产品以及测试结果等内容，希望能为电子工程师们在FPGA电源设计方面提供有价值的参考。

文件下载：ISL91211A-BIK-REFZ.pdf

二、参考板概述

2.1 基本介绍

Renesas Xilinx FPGA参考板是一种可扩展的电源供应设计，能为Xilinx Artix - 7、Spartan - 7和Zynq - 7000系列FPGA提供各种电源轨。它可以使用DC电源或插入式AC/DC适配器作为电源，连接到参考板的桶形插孔。

2.2 关键特性

• 电源输入灵活：支持5V AC/DC适配器或DC电源输入。
• 多FPGA支持：电源输出支持不同偏斜的Xilinx Artix - 7、Spartan - 7和Zynq - 7000 FPGA。
• 电压调节灵活：通过DVS控制信号（上拉/下拉电阻）支持不同的输出电压。
• 完善的验证工具：具备完整的电源验证硬件和软件工具，包括I2C接口和Power Navigator（GUI）。
• 设计资源丰富：提供设计文件和文档，可减少系统设计工作量。

2.3 订购信息

部件编号	描述
ISL91211A - BIK - REFZ	Renesas Xilinx Artix - 7 (XC7A200T)参考板
ISL91211AIK - REFZ	Renesas Xilinx Zynq - 7000参考板
ISL91211BIK - REF2Z	Renesas Xilinx Spartan - 7参考板

三、功能描述

3.1 上电时序

Xilinx Artix - 7/Vertex - 7/Zynq - 7000的上电序列从打开机械开关开始。当输入电压上升并稳定后，通过外部RC时间常数按顺序触发电源使能信号（EN_1/EN_VCCIO_2V5/EN_VCCIO_3V3）。ISL91211AIK和ISL91211BIK在EN_1置位后有1.4ms的内部启动延迟，内部电源延迟（由OTP设置）根据Xilinx FPGA的要求提供必要的延迟。

3.2 电源框图

该参考板支持Xilinx Artix - 7、Spartan - 7和Zynq - 7000。ISL91211AIK和ISL91211BIK能够通过选择DVS选项为VCCINT、VCCAUX、VMGTAVTT、VMGTAVCC和DDR3/DDR4/LPDDR2/LPDDR3/DDR3L提供多个电源轨。每个参考板的解决方案尺寸可以通过丝印进行估算，并且会按照推荐的上电顺序及时提供电源，以实现VCCINT、VMGTAVCC和VMGTAVTT的最小电流消耗。

3.3 Renesas FPGA电源评估板概述

评估板分为四种不同的Xilinx FPGA应用，即Artix - 7、Artix - 7(XC7A200T)、Spartan - 7和Zynq - 7000。Artix - 7应用需要ISL91211AIK和ISL91211BIK PMIC，而Spartan - 7和Zynq - 7000只需要一个PMIC。

3.3.1 Artix - 7 FPGA

• 电源输入：参考板使用来自插入式AC/DC（5V）适配器或DC电源的5V输入。
• PMIC需求：需要ISL91211BIK提供多个电源轨。
• 可选组件：可选的ISL21010DFH312用于XADC输入电压，精度为1.25V ±0.2%。
• 其他支持：ISL80030支持VCCO和VCC_IO，电压为3.3V/2.5V/1.8V。

3.3.2 Artix - 7(XC7A200T) FPGA

• 高性能解决方案：是Xilinx Artix - 7 XC7A200T的高性能解决方案。
• 电源输入：同样使用5V输入。
• PMIC需求：需要ISL91211AIK和ISL91211BIK提供多个电源轨。
• 可选组件：可选的ISL21010DFH312用于XADC输入电压，精度为1.25V ±0.2%。
• 其他支持：ISL80030支持VCCO和VCC_IO，电压为3.3V/2.5V/1.8V。

3.3.3 Spartan - 7 FPGA

• 电源输入：参考板使用5V输入。
• PMIC需求：需要ISL91211BIK为VCCINT、VCCBRAM、VCC_DDR、VCCAUX和VTT供电。
• 其他支持：ISL80030支持VCCO和VCC_IO，电压为3.3V/2.5V/1.8V。

3.3.4 Zynq - 7000 FPGA

• 电源输入：参考板使用5V输入。
• PMIC需求：需要ISL91211AIK为VCCINT、VCCBRAM、VCC_DDR和VCCAUX供电。
• 可选组件：可选的ISL21010DFH312用于XADC，精度为1.25V ±0.2%。
• 其他支持：ISL80030支持VCCO和VCC_IO，电压为3.3V/2.5V/1.8V。

3.3.5 PowerNavigator™软件

Renesas PowerNavigator软件允许使用带有USB接口的PC对多个PMIC进行简单配置和监控。通过简单的图形用户界面，它可以轻松更改数字电源供应设计的所有功能。完成项目文件后，可以使用Renesas USB to PMBus适配器（ISLUSBEVAL1Z版本V3.2）连接到硬件，只需要将适配器的I2C_CLK、I2C_SDA和GND连接到电路板即可。

3.4 推荐产品

3.4.1 ISL91211AIKZ和ISL91211BIKZ

• 基本特性：ISL91211AIK是4相、3输出可编程电源管理IC（PMIC），ISL91211BIK是4相、4输出可编程PMIC。它们采用高效同步降压转换器，能够进行多相和单相操作，每相可提供高达5A的连续输出电流。
• 电压设置：每个降压控制器有四个独立可编程的电压设置（DVS0、DVS1、DVS2和DVS3），通过改变所选的DVS编号，可以选择相应的输出电压。
• 启动和关闭：当主芯片使能引脚（EN）高于1.35V时，芯片上电并启动上电序列；当EN低于0.4V时，所有降压电路以3mV/µs的速率下降，芯片进入关机状态。

3.4.2 ISL80030

• 基本特性：是一种高效的单片同步降压DC/DC转换器，可从2.7V至5.5V的输入电源提供高达3A的连续输出电流。
• 控制架构：采用峰值电流模式控制架构，允许非常低的占空比操作，开关频率为1MHz，具有出色的瞬态响应和稳定性。
• 内部集成：集成了非常低的rDS(ON) MOSFET，消除了对启动电容的需求，减少了外部组件数量。

3.4.3 ISL9123

• 基本特性：是一种高度集成的降压开关稳压器，能够提供低至0.4V的输出电压。
• 低功耗特性：在调节模式下静态电流消耗极低，为940nA；在强制旁路模式下为170nA；在关机模式下为9nA。
• 效率和功能：在10µA负载下效率为80%，峰值效率为97%，支持1.8V至5.5V的输入电压，具有自动旁路功能和强制旁路节能模式。

3.4.4 ISL21010DFH312

• 基本特性：是一种精密、低压差微功耗带隙电压基准，采用节省空间的SOT - 23封装。
• 工作范围：从2.2V至5.5V的单电源供电，提供±0.2%的精确参考。
• 输出能力：能够提供高达25mA的输出电流，压差低至150mV，输出电压选项丰富。

四、测试结果

4.1 各电源轨测试

对VCCINT/VCCBRAM、VMGTAVCC、VMGTAVTT、VCCDDR、VTT/VREFCA、VCCAUX/VCCADC、VCCO和XADC等电源轨进行了测试，测试结果显示各电源轨在不同负载下的输出纹波和负载瞬态响应表现良好。例如，VCCINT在无负载时输出纹波小于5mVP - P，在6A负载时输出纹波也小于5mVP - P；VMGTAVCC在1A负载时输出纹波小于5mV P - P等。

五、布局指南

文档提供了ISL91211AIK - REFZ、ISL91211A - BIK - REFZ和ISL91211BIK - REF2Z参考板的布局图，包括顶部和底部视图。同时，若需要PCB布局和物料清单等信息，可联系Renesas支持。

六、附录

6.1 ARTIX - 7 FPGA电源解决方案选择表

提供了不同Xilinx Artix - 7器件和速度等级对应的Renesas PMIC部件编号以及DVS_PIN1和DVS_PIN0的设置。

6.2 Spartan - 7 FPGA电源解决方案选择表

提供了不同Xilinx Spartan - 7器件和速度等级对应的Renesas PMIC部件编号以及DVS_PIN1和DVS_PIN0的设置。

七、总结

Renesas的ISL91211A - BIK - REFZ、ISL91211AIK - REFZ和ISL91211BIK - REF2Z参考板为Xilinx FPGA提供了全面、灵活且高效的电源解决方案。通过详细的功能描述、丰富的测试结果和布局指南，电子工程师们可以更好地进行FPGA电源设计。在实际应用中，大家可以根据具体的FPGA型号和需求，选择合适的参考板和推荐产品，以确保电源供应的稳定性和可靠性。那么，你在FPGA电源设计中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。