杨恒博士，MPS高级应用工程师188比分直播吧

下载

随着无线网络和数据中心带宽的增加，越来越多的高性能FPGA和ASIC应用需要具有高功率密度、快速负载瞬态响188比分直播吧应和高效率的电源调节器。AMD Xilinx Zynq UltraScale+ rfsoc将多千兆样本射频数据转换器和软决策前向纠错(SD-FEC)集成到SoC架构中。ARM Cortex-A53处理子系统、UltraScale+可编程逻辑以及Zynq UltraScale+设备中最高的信号处理带宽，新系列为无线、电缆接入、测试与测量、预警/雷达和其他高性能射频应用提供了全面的射频信号链。188比分直播吧然而，Zynq UltraScale+ RFSoC的更高集成度给电源解决方案的设计带来了挑战。此外，射频数据转换器的性能与其电源的噪声水平密切相关。MPS电金宝搏188网址高手源模块提供高效率的运行和最小的单板空间。本应用笔记概述了AMD Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC的电源解决方案设计。的EVREF0102A演示了为射频数据转换器提供超低噪声电压的参考设计电源。

Power体系结构

Zynq UltraScale+ RFSoC的功率结构如图所示图1．如图所示，RFSoC需要30多个电源轨道。PL域的电源轨用于RFSoC, PS域的电源轨用于嵌入式臂芯。电源轨道是统一的，以尽量减少所需的转换器的数量。MPS电源模块解决方案最大限度地减少了PCB空间，简化了电源设计。

图1。Zynq UltraScale+ RFSoC的MPS电源解决方案

每个钢轨的当前规格可能会根据零件号和将在RFSoC上运行的特定应用/程序而有所不同。表1说明了Zynq UltraScale+ RFSoC系列每个导轨的典型电流需求。建议使用AMD Xilinx功率估计(XPE)工具估算准确的电流需求
为优化电源方案设计。AMD Xilinx FPGA电源轨道除了电压、电流规格外，电源还必须满足以下要求:

• 所有电源轨(模拟轨除外)稳态输出电压纹波必须小于10mV。
• 所有动力轨的启动必须是单调的。
• 100A/μs、25%负载瞬态下，核心轨输出电压偏差(VCCINT)应小于+- 3%。
• 电源的开关必须遵循AMD Xilinx定义的特定顺序。

*支持最高6V输入电压，**支持12V输入电压。点击完全离散解．

表1。AMD Xilinx Zynq UltraScale+RFSoC的MPS电源模块解决方案

基于电源模块的优化电源方案的实现金宝搏188网址高手

MPS电金宝搏188网址高手源模块提供了高度集成的高效电源解决方案。图2说明了MPS电源模块的典型结构，该模块将MPS专利的单片IC，电感器和选定的无源组件金宝搏188网址高手集成在单个模压封装中。这些组件安装在使用网格连接封装技术的引线框架上，该技术最大限度地减少了功率IC/电感器和PCB之间的热阻。单片集成电路将功率fet、控制电路和驱动器集成在一个硅晶片上。单片技术最大限度地减少了驱动电路和功率场效应晶体管栅极之间的寄生电阻和电感。因此，开关损耗最小化。

表1的MPS电源模块解决方案AMD Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC．注意，MPS提供了一个离散的解决方案。

图2。MPS电源模块的典型结构金宝搏188网址高手

图。3演示了AMD Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC的参考设计板(不包括RF数据转换器导轨)。参考设计板采用5个先进的电源模块。金宝搏188网址高手的MPM3695-25是一个16V, 20A电源模块。核心导轨采用两个MPM3695-25s并联，可提供高达50A的峰值电流。一个单一的MPM3695-25为轨道2提供高达25A的峰值电流。的MPM3695-10是14V, 7A超薄电源模块。的MPM3632C是一个18V, 3A强制CCM电源模块。

图3。Zynq UltraScale+RFSoC参考设计板

图4。开机和关机顺序

的MPM3606A是一个21V, 0.6A电源模块。该系列还提供1A、2A和3A电源模块的引脚兼容电源模块，为电源解决方案设计提供了极大的金宝搏188网址高手灵活性。参考设计的性能完全符合AMD Xilinx的要求。图4显示上下电顺序的波形。

具有集成电感的先进MPM3695系列电源模块为fpga和asi金宝搏188网址高手c供电提供了多功能解决方案。MPM3695系列的输出电流可通过堆叠多个MPM3695-25或MPM3695-10来扩展。与离散负载点(POL)解决方案相比，MPM3695系列可提供高达60%的功率密度，简化PCB布局和功率级设计，最小的外部组件，以及最小的功率转换器和补偿网络设计专业知识。MPM3695系列电源模块采用功率IC的单片结构和具有先进封装技术的定制集成电感设计，与竞争对手的电源模块相比，可减少高达40%的占地面积。金宝搏188网址高手

图5及6分别为100μA/s负载25%瞬态时的负载瞬态波形和满载时的输出电压纹波。如图所示，负载瞬态时输出电压偏差小于±3%，稳态时输出电压纹波小于10mV。

图5。核心轨载荷瞬态波形。

图6。核心轨输出电压纹波。

模拟电源模块ZCU1275

AMD Xilinx Ultrascale+ RFSoC嵌入高速模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，需要超低输出噪声。开关电源(SMPS)与传统的低降差(LDO)稳压器相比，具有效率高的优点。由于其开关特性，SMPS在其开关频率上会发出噪声
以及它的谐波。MPS电源模块解决方案利用两级CLC滤波器来最大限度地降低敏感ADC和DAC导轨的输出电压噪声。的EVREF0102A是为ZCU1275 Zynq UltraScale+ RFSoC表征试剂盒开发的射频数据转换器功率模块。图7EVREF0102电源模块。

图7。EVRF0102超低噪声电源模块

所有敏感射频数据转换器导轨的输出电压噪声均低于1mV。的EVREF0102A采用五个高效降压开关模式功率模块集成电感。金宝搏188网址高手的MPM3833C是一个6V, 3A，超小型降压电源模块，和MPM 3683 - 7为16V, 8A电源模块。两款电源模金宝搏188网址高手块均具有集成保护功能，包括OCP、OVP、UVP、OTP。与传统的LDO解决方案相比EVREF0102A可实现高达80%的效率提升。的EVREF0102A模拟电源模块还实现了超低噪声，以满足AMD Xilinx高速数据转换器的规格，通过利用强制连续传导模式(CCM)操作和实现后无源滤波器。CLC无源滤波器用于两个最敏感的ADC和DAC导轨，电容滤波器用于其余的电源导轨。参考附录。

图8 - 11说明了传统LDO解决方案与MPS功率模块解决方案的比较。实验结果是在AMD Xilinx实验室的ZCU1275开发工具包上收集的。如图所示，MPS电源模块解决方案的噪声水平与传统的LDO解决方案相当。

结论

MPS电金宝搏188网址高手源模块为AMD Xilinx fpga提供高效率、全面集成和紧凑的电源解决方案。可扩展的电源模块为核心导轨提供了多功能解决方案。通过将射频数据敏感转换器电源导轨的功率模块替换传统的LDO，大大提高了效率。金宝搏188网址高手两个参考设计板可从MPS完全验证性能。本应用说明的附录中概述了用于最小化射频数据转换器导轨输出电压纹波的无源滤波器的设计过程。

附录:两级滤波器设计

同步降压变换器由一个输入电容(CIN)、两个开关(S1和S2)及其主体二极管、一个储能功率电感(L)和输出电容(COUT)组成。当S1接通，S2关闭时，输入源为功率感应器L和负载提供能量。在此期间，电感电流上升。当S2开，S1关时，储存在电感器中的能量被传输到输出电容和负载，导致电感器电流下降。降压调节器的开关行为导致输出电压波动。输出电容COUT放置在输出端，在稳态下平滑输出电压。输出电容通过为高频电压元件返回地面提供低阻抗路径来减少输出电压纹波。

图1:低噪声滤波器设计

我在后续开发中，假设buck变换器工作在连续导通模式(CCM)下，以使输出电压纹波最小化。电感的设计是为了满足电感电流纹波的要求。L的最小电感确定为:

(1）

其中VIN和VOUT分别表示输入和输出电压，D=VOUT/VIN表示占空比，I_(L,p-p)为电感电流的峰峰纹波，fSW表示变换器的开关频率。通常情况下，电感电流的峰间纹波选择为输出直流电流的20-40%。

选择输出电容以确保输出纹波低于指定的峰到峰值。对于单级电容滤波器，可以实现1mV至2mV的最小输出电压纹波。

在稳态下，一个开关周期内输送到电容器的净电荷为零。电容器电荷的阴影区域图1计算公式为:

（2）

其中T为一个切换周期的周期。根据定义，给定周期内的电容电荷也可以表示为:

（3）

对于式(2)和式(3)，实现所需输出峰峰电压纹波(VOUTp-p)的最小电容确定为:

（4）

理想情况下，噪声分流能力可以通过并联更多的输出电容器来提高。在实际使用中，输出电容器横向放置在PCB上。在PCB上增加更多的输出电容会在分流路径上引入额外的寄生电感和交流电阻，从而降低旁路开关噪声的有效性。

MPS功率模块的典型PCB布局，集成了优化的电感以简化功率转换器的设计，如图所示图2．在PCB的布局中MPM3833C时，输出功率路径采用宽铜平面，以减少功率损耗。输出电容沿输出电流路径放置。如图所示，输出平面上放置的电容越多，增加的电容到功率模块输出引脚的距离就越大。因此，更多的寄生电感涉及到输出电容，离功率模块越远。输出电容增加的效果越来越差，最终分流回路被寄生电感所控制。

图2。MPM3833C电源模块的典型PCB布局

为了说明回路寄生电感的影响MPM3833C使用Simplis模拟各种输出电容。假设每个额外的输出电容器引入一个额外的0.5nH寄生电感到旁路回路。图3说明一个22uF电容的功率模块的输出纹波。旁路电容在输入5V，输出1.2V，负载2A时有效地将输出纹波降低到3mV左右。

图3 MPM3833C带一个22uF输出电容的输出电压纹波

为了进一步降低输出电压纹波，在输出端增加了一个22uF输出电容。由于新电容器需要放置在离功率模块较远的地方，因此新电容器所涉及的寄生电感为1nH。仿真输出电压纹波如图所示图4(a)输出电压纹波降低到2mV。中所示的波形图3，其中一个22uF输出电容有效地将输出电压纹波降低到3mV，额外的22uF电容效果较差。图4(b)为增加一个22μF电容(共4x2μF)的输出电压纹波。最后一个22μF电容的旁路回路中含有1.5nH的寄生电感。如图所示，与使用3x22μF的情况相比，增加22μF电容所实现的输出纹波降低不到5%。

图4 MPM3833C与(a) 4x22uF输出电容和(b) 5x22uF输出电容的输出电压纹波

如图3和图4所示，当PCB上放置更多的输出电容时，PCB铜/线引入的寄生电感将占主导地位。最终，增加更多电容的好处将被附加在回路中的寄生电感所抵消。

二级过滤器设计

通常情况下，并联输出电容可以有效地将输出电压纹波降低到1mV。超过这一点，需要第二级输出滤波器来实现更小的输出电压纹波(可以实现低于1mV的电压纹波)。图5示出二级LC滤波器，其级联到第一级输出电容。二级滤波器由滤波电感及其串联电阻DCR、旁路电容分支和阻尼分支组成。LC滤波器通过对输出产生高阻抗来工作。滤波电感Lf在预定的高频范围内是电阻性的，并以热的形式消散噪声能量。电感与额外的并联电容器结合形成一个低通LC滤波器网络。

图5。带并联阻尼分支的二级LC滤波器

当设计合理时，二级滤波器对降低输出电压噪声非常有效。这是至关重要的大小第二级LC滤波器的组件为预期的频带。设计程序的第一步是根据式(4)选择一级输出电容。一级设计的典型输出电压纹波为5mV至10mV。通常一个10-22uF电容器就足够了。为了保证系统的稳定性，一级电容COUT必须小于二级旁路电容C1。

一旦确定了一级电容COUT，并且给定了指定的输出电压纹波(在给定频率下)，则可以确定二级LC滤波器所需的衰减为:

（5）

式中，V1,p-p为输出电容处的电压峰间纹波，V0,p-p为输出电压峰间纹波(经过二级滤波器)。利用相量分析，确定LC滤波器的增益幅值为:

(6）

注意，在开关频率处，由一个大串联电阻组成的阻尼分支的阻抗要比旁路分支大得多。如所示的过滤器图5近似为二阶RLC滤波器。滤波器截止频率确定为:

(7）

通常情况下，可以选择电感为0.22μH至1μH的电感器来实现所需的输出纹波。电感应选择具有最小的DCR，因为严重的电阻会增加功耗并降低输出电压调节。需要注意的是，随着直流电流的增大，电感器的芯材变得饱和，从而降低了电感器的电感量。应注意确保在额定直流电流下电感值足够高。

一旦选择了滤波电感，就可以从数据表中提取其DCR。第二级LC滤波器是一个二阶滤波器，在截止频率后提供每十年40db的滚降。在给定频率下的衰减可估计为:

（8）

根据式(5)计算的衰减，确定所需截止频率为:

（9)

由此确定所需的旁路电容C1为:

（10）

对于低ESR和ESL的旁路电容器应选用陶瓷电容器。应该注意的是，陶瓷电容器的电容在直流偏置电压下经历显著的降级。图6图示为村田0805陶瓷电容器的直流降级曲线，其额定电压为6.3V。如图所示，在满额定直流偏置电压时，电容下降到标称值的20%。旁路电容应选择在标称直流偏置电压，以考虑降级。

图6。典型陶瓷电容器直流偏置支路降额曲线

阻尼

如果没有适当的阻尼，第二级LC滤波器可能会引入谐振峰值。滤波电感和旁路电容之间的谐振可能放大输出纹波，并在负载瞬态时产生不必要的振铃。图7(一)示带有二级LC滤波器的欠阻尼变换器系统的输出电压。最初，系统在稳态下运行。在t=200μS时，从1A到2A的负载暂态启动，导致输出电压发生环响。图7 (b)说明了过阻尼二级滤波器的负载瞬态输出电压和电流。为了避免负载瞬态时出现不必要的振铃现象，必须适当地对二级LC滤波器的谐振进行阻尼。在大多数设计中，第二级滤波器将放置在控制回路之外，以避免控制稳定性问题。因此，阻尼必须通过无源元件(附加阻尼电阻)来实现。

图7。(a)欠阻尼LC滤波器和(b)过阻尼LC滤波器的阶跃响应

滤波电感通常包括与电感串联的寄生直流电阻。该DCR为网络提供阻尼。然而，为了给串联RLC电路提供足够的阻尼，串联电阻必须满足在大多数情况下，DCR本身不能提供足够的阻尼。为此，RC阻尼网络与旁路电容器并联插入，以与串联DCR电阻一起阻尼谐振电路。

议员- xilinx篇- q1 - 2019 -_1.pdf

_____________________________________

你觉得这个有趣吗?获得有价值的资源直接到您的收件箱-发送每月一次!

寻求技术支持