MPS电金宝搏188网址高手源模块为AMD Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC提供了紧凑和超低噪声的解决方案

杨恒博士，高级应用工程师MPS188比分直播吧

下载

随着无线网络和数据中心带宽的增加，高性能FPGA和ASIC应用程序的数量不断增加，对功率密度高、负载瞬态响188比分直播吧应快、效率高的电源稳压器的需求不断增加。AMD Xilinx Zynq UltraScale+ rfsoc集成多千兆样本射频数据转换器和软决策前向纠错(SD-FEC)到SoC架构。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、测试和测量、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更高程度的集成为电源解决方案设计带来了挑战。此外，射频数据转换器的性能与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了高效率的运行和最小的板空间。本应用笔记概述了AMD Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC的电源解决方案设计。的EVREF0102A参考设计电源，旨在为射频数据转换器提供超低噪声电压，演示。

Power体系结构

Zynq UltraScale+ RFSoC的电源架构如图所示图1．如图所示，RFSoC需要安装30多个电源轨道。PL域的功率导轨用于RFSoC, PS域的功率导轨用于嵌入式臂芯。电源轨道被整合，以减少所需的转换器数量。MPS电源模块解决方案使PCB空间最小化，简化了电源设计。

图1。Zynq UltraScale+ RFSoC的MPS电源解决方案

根据RFSoC上运行的部件编号和特定应用程序/程序，每个轨道的当前规范可能有所不同。表1说明了Zynq UltraScale+ RFSoC系列每个导轨的典型电流要求。建议使用AMD Xilinx功率估计(XPE)工具估计准确的电流需求
为优化电源方案设计。AMD Xilinx FPGA电源轨道的电源除满足电压、电流规格外，还应满足以下要求:

• 所有电源轨(模拟轨除外)稳态输出电压纹波应小于10mV。
• 所有动力轨道的启动必须是单调的。
• 100A/μs下25%负载瞬态过程中，核心轨输出电压偏差(VCCINT)应小于+- 3%。
• 电源的打开和关闭必须遵循AMD Xilinx定义的特定顺序。

*支持最高6V输入电压，**支持12V输入电压点击完整的离散的解决方案．

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

用电源模块实现优化电源方案金宝搏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演示了MPS电源模块的典型结构，该模块集成了MPS专利的单片集成电路、电感和选定的无金宝搏188网址高手源组件在一个单一的模压封装中。组件使用网格连接封装技术安装在引线框架上，这将功率IC/电感器和PCB之间的热阻降至最低。单片集成电路将功率场效应管、控制电路和驱动器集成在一个硅模上。单片技术使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最小化。随后，开关损耗被最小化。

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(不包括射频数据转换轨)。参考设计板采用5个先进电源模块。金宝搏188网址高手的MPM3695-25为16V, 20A电源模块。核心轨采用两个MPM3695-25s，它们并联连接，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是一个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。上下电顺序

的MPM3606A是一个21V, 0.6A电源模块。同一家族还提供1A, 2A和3A电源模块的引脚兼容电源模块，这在电源解决方案设计中提供金宝搏188网址高手了很大的灵活性。参考设计的性能经过充分验证，以满足AMD Xilinx的要求。图4显示上下电顺序波形。

先进的MPM3695系列集成电感电源模块为fpga和asic供金宝搏188网址高手电提供了通用的解决方案。MPM3695系列的输出电流可通过堆叠多个MPM3695-25s或MPM3695-10s进行扩展。与离散负载点(POL)解决方案相比，MPM3695系列提供了高达60%的功率密度，简化了PCB布局和功率级设计，最小的外部组件，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的单片结构和采用先进封装技术的定制集成电感设计，与其他竞争电源模块相比，其占地面积可减少40%。金宝搏188网址高手

图5和6分别显示了100μA/s下25%负载暂态时的负载暂态波形和满载时的输出电压纹波。如图所示，负载暂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。

ZCU1275模拟电源模块

AMD Xilinx Ultrascale+ RFSoC嵌入了高速模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，要求超低的输出噪声。与传统的低损耗(LDO)稳压器相比，开关电源(SMPS)具有高效率的优点。由于其开关特性，SMPS在其开关频率时发出噪声
和它的谐波。MPS电源模块解决方案利用两级CLC滤波器最小化敏感ADC和DAC轨道的输出电压噪声。的EVREF0102A是为ZCU1275 Zynq UltraScale+ RFSoC表征套件开发的射频数据转换器电源模块。图7说明EVREF0102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采用五个高效率降压开关模式电源模块集成电感。金宝搏188网址高手的MPM3833C是一个6V, 3A，超小型降压电源模块，MPM 3683 - 7为16V, 8A电源模块。两个电源模金宝搏188网址高手块都具有集成的保护功能，包括OCP, OVP, UVP, OTP。与传统的LDO解决方案相比，EVREF0102A可实现高达80%的效率提高。的EVREF0102A模拟电源模块还实现超低噪声，以满足AMD Xilinx高速数据转换器的规格，利用强制连续传导模式(CCM)运行和实现后无源滤波器。CLC无源滤波器用于两个最灵敏的ADC和DAC轨道，电容滤波器用于其余的功率轨道。参考附录。

图8 - 11说明了传统LDO方案与MPS电源模块方案的比较。实验结果在AMD Xilinx实验室的ZCU1275开发工具包上收集。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、全集成和紧凑的电源解决方案。可扩展的电源模块为核心轨提供了一种通用的解决方案。通过将传统的LDO替换为敏感射频数据转换器功率轨的电源模块，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与充分验证的性能。射频数据转换器导轨输出电压纹波最小的无源滤波器的设计过程在本应用说明的附录中概述。

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)及其本体二极管、一个储能功率电感(L)和输出电容(COUT)组成。当S1打开，S2关闭时，输入源为功率电感L和负载提供能量。在此期间，电感电流上升。当S2开，S1关时，储存在电感中的能量被转移到输出电容和负载，导致电感电流下降。降压调节器的开关行为导致输出电压波动。输出电容COUT置于输出端，使输出电压在稳态下平滑。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

我在后续的开发中，假设buck变换器工作在连续传导模式(CCM)下，以使输出电压纹波最小。L的电感设计满足电感电流纹波要求。确定L的最小电感为:

(1）

其中，VIN和VOUT分别为输入和输出电压，D=VOUT/VIN为占空比，I_(L,p-p)为电感器的峰峰电流纹波，fSW为转换器的开关频率。通常，峰峰间电感电流纹波被选为输出直流电流的20-40%。

选择输出电容以确保输出纹波低于指定的峰值对峰值值。对于单级电容滤波器，输出电压纹波最小可达1mV至2mV。

在稳态下，在一个开关周期内，传递到电容器的净电荷为零。阴影区域的电容电荷图1计算为:

（2）

T是一个开关周期的周期。根据定义，给定时间段内的电容电荷也可以表示为:

（3）

对于式(2)和式(3)，确定实现所需输出峰间电压纹波(VOUTp-p)的最小电容为:

（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来提高。在实际使用中，输出电容横向放置在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，从而降低绕过开关噪声的有效性。

MPS电源模块的典型PCB布局，集成优化的电感简化电源转换器的设计，如图所示图2．在PCB布局上MPM3833C，输出功率通路采用宽铜平面，最大限度减少功率损耗。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，额外的电容到电源模块输出引脚的距离就越大。因此，在离电源模块越远的输出电容中，寄生电感就越多。输出电容越多，效果越差，最终并联回路被寄生电感所主导。

图2。MPM3833C电源模块的典型PCB布局

为了证明回路寄生电感的影响，本文采用了一种方法MPM3833C使用Simplis对不同输出电容进行了仿真。假设每个额外的输出电容向旁路回路引入额外的0.5nH寄生电感。图3说明了一个22uF电容的电源模块的输出纹波。旁路电容在输入5V，输出1.2V, 2A负载时有效地将输出纹波降低到3mV左右。

图3 MPM3833C带有一个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。由于新电容必须放置在远离电源模块的地方，新电容所涉及的寄生电感为1nH。模拟输出电压纹波如图所示图4(a)输出电压纹波降低到2mV。与所示波形相比图3，一个22uF的输出电容有效地将输出电压纹波降低到3mV，额外的22uF电容效果不佳。图4(b)显示了增加一个22μF电容(共4x2μF)时的输出电压纹波。最后一个22μF电容的旁路回路中有1.5nH的寄生电感。如图所示，与使用3 × 22μF的情况相比，增加22μF的电容对输出纹波的抑制不到5%。

图4 MPM3833C使用(a) 4x22uF输出电容和(b) 5x22uF输出电容时的输出电压纹波

如图3和图4所示，当PCB上放置更多的输出电容时，PCB上铜/迹引入的寄生电感将成为主导。最终，增加更多电容的好处将被环路中增加的额外寄生电感所抵消。

二级滤波器设计

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(低于1mV的电压纹波可以实现)。图5示出了第二级LC滤波器，它级联到第一级输出电容。第二级滤波器由一个滤波电感及其串联电阻DCR、一个旁路电容支路和一个阻尼支路组成。LC滤波器的工作原理是对输出产生高阻抗。滤波电感Lf在预定的高频范围内具有电阻性，并以热的形式将噪声能量消散。电感与附加的并联电容器结合形成低通LC滤波器网络。

图5。带并联阻尼分支的第二级LC滤波器

当设计合理时，第二级滤波器对降低输出电压噪声非常有效。这是至关重要的组成部分的第二阶段LC滤波器的预期频带。设计程序的第一步涉及到根据式(4)选择第一级输出电容。5mV到10mV输出电压纹波是典型的第一级设计。通常一个10-22uF电容就足够了。为了保证系统的稳定性，第一级电容COUT必须小于第二级旁路电容C1。

一旦确定了第一级电容COUT，并且给定了指定的输出电压纹波(在给定频率下)，第二级LC滤波器所需的衰减可以确定为:

（5）

其中V1,p-p为输出电容处的峰-峰电压纹波，V0,p-p为输出电压的峰-峰(经过第二级滤波后)。利用相量分析，确定LC滤波器增益的幅值为:

(6）

注意，阻尼支路的阻抗由一个大串联电阻组成，在开关频率处比旁路支路大得多。因此滤波器显示在图5近似为二阶RLC滤波器。滤波器的截止频率确定为:

(7）

通常，可以选择电感为0.22μH到1μH的电感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，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。应注意确保在额定直流电流下电感足够高。

一旦选择了滤波电感器，就可以从数据表中提取其DCR。第二级LC滤波器是一种二阶滤波器，在截止频率后每十年提供40db滚离。给定频率下的衰减可估计为:

（8）

利用式(5)计算的衰减量，确定所需截止频率为:

（9)

由此可得所需的旁路电容C1为:

（10）

对于低ESR和ESL的旁路电容器，应采用陶瓷电容器。需要注意的是，在直流偏置电压下，陶瓷电容器的电容会经历显著的降级。图6图示了额定电压为6.3V的村田0805陶瓷电容器的直流降级曲线。如图所示，在直流额定偏置电压满时，电容降至标称值的20%。旁路电容应选择在额定直流偏置电压，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

第二级LC滤波器如果没有适当阻尼，可能会产生共振峰值。滤波电感和旁路电容之间的共振可能放大输出纹波，在负载瞬态时产生不需要的振铃。图7(一)显示了带第二级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。当t=200μS时，从1A到2A的负载暂态启动，导致输出电压振铃。图7 (b)阐述了过阻尼二级滤波器在负载瞬态下的输出电压和电流。为了避免负载瞬态时不需要的振铃，第二级LC滤波器谐振必须适当阻尼。在大多数设计中，第二级滤波器将置于控制回路之外，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。这个DCR为网络提供阻尼。然而，要为串联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，单独的DCR不能提供足够的阻尼。为此，RC阻尼网络与旁路电容并联插入，以阻尼随串联DCR电阻的谐振电路。

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-每月发出一次!

获得技术支持