【導讀】要想獲得優異的電源，一種方法是利用電源模塊或FPGA套件的評價結束后，移植到實機時，采用參考設計；同時采用獨自進行板上電源設計的也為數不少。本文介紹最新FPGA所需求的電源IC，最高效率達95%以上，性能非常好，而且通用性強。
近年來，電子設備（應用）的多樣化與高性能化以驚人的速度不斷發展。可以說，這種趨勢使各產品的開發周期縮短，并給半導體技術帶來了巨大的發展空間。
在這種背景下，被稱為FPGA的LSI為電子設備的開發作出了巨大貢獻，它比以往任何時候更引人關注，市場規模不斷擴大。
1．何謂FPGA
FPGA為Field Programmable Gate Array的縮寫，意為在現場（Field）、可擦寫（Programmable＝可編程）的、邏輯門（Gate）呈陣列（Array）狀排布的半定制LSI，簡言之，即“后期電路可擦寫邏輯元件”。
產品售出后也可進行再設計，可順利進行產品的更新以及新協議標準的應對。這是制成后內容即被固定的ASIC (Application Specific Integrated Circuit：特定應用定制IC）和ASSP （Application Specific Standard Product：特定應用的功能專業化的標準、市售IC）所沒有的、只有FPGA才具備的特點。
FPGA不僅具備可再編程的靈活性，隨著近年來技術的發展，FPGA的高集成度、高性能化、低功耗化、低成本化也在不斷進步，FPGA已經逐漸具備了與ASIC和ASSP同等程度的功能，因此，在各種電子設備中的應用日益廣泛。
2．FPGA所需求的電源規格
ROHM于今年7月開發出并發布了對應最新FPGA的、即Xilinx公司生產的28nm制程7系列的開關穩壓控制器“BD95601MUV(1ch)”、“BD95602MUV(2ch)”。另外，還開發出用于AVNET Internix公司FPGA用開發套件(Mini Module Plus)（圖1）的電源模塊板。（圖2）
圖1：AVNET Internix公司生產的FPGA用開發套件（Mini Module Plus）
圖2：ROHM電源模塊板
這兩種成為參考設計的電源IC性能非常好，而且通用性強，不僅可用于FPGA，還可在更廣泛的應用中使用。
最近的高端FPGA（此次AVNET Internix公司的開發套件為Xilinx Kintex-7用），由于其制程工藝的微細化以及與其相應的低電壓化、內核部與接口部的電源分離以及數字電路與模擬電路的混裝等多電源化，必然需要先進的電源管理。電壓精度當然要求低波紋，而且要求具備投入時序管理和優異的負載瞬態響應性能。圖3為ROHM電源模塊的輸出結構，表示生成上述項目的各開關穩壓控制器與電壓/電流。
圖3：電源模塊的輸出結構與FPGA的電源要求
這種模塊需要內部電路、I/O、RAM、收發器用等共8種電壓。以內部電路用VCCINT為例，電壓精度為±3%。
系統電壓等通常為±5%，因此，僅從比例考慮的話±3%可視為稍微苛刻的要求，但按實際的容許電壓考慮的話：3.3V±3%為3.3V±99mV，VCCINT＝1.0V±3%為1.0V±30mV。
即VCCINT的容差僅為±30mV，當電壓較低時，實際的容許電壓值要求嚴格。這對于具有波紋電壓的開關穩壓器來說是非常苛刻的條件，如果負載瞬態響應速度不夠快，也很容易超出容許范圍。對于電源來說，實現低電壓高電流輸出、高精度高穩定性是巨大的課題。
另外，不僅是電源精度，對于多數電源來說，都已詳細規定了電源上電時序、斷電時序，不滿足這些要求就會發生FPGA不啟動等問題。
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實現高速負載瞬態響應的ROHM開關穩壓控制器
使這些FPGA可靠地啟動、穩定地工作的開關穩壓控制器“BD95601MUV(1ch)”、“BD95602MUV(2ch)”的主要規格如下。
【特點】
●采用ROHM獨創的可高速負載瞬態響應的H3RegTM控制方式
●最高效率達95%以上
●可選擇輕負載時進行間歇脈沖控制的輕負載模式、重視低波紋控制的PWM連續控制模式、輕負載時防嘯叫控制的靜音輕負載模式
●搭載實現多種電源時序的可調軟啟動端子、P.G.輸出端子
●搭載各種保護功能(OCP、SCP、UVLO、TSD)
【規格概要】
參見表1。基本上，兩種產品都是高效同步整流的降壓型控制器，不僅在重負載時的效率高，輕負載時的效率也很高。標準電壓為0.75V/0.7V，適用低電壓，±1%的精度對于前述的±3%的精度來說具有充分的余量。不僅如此，通過ROHM獨創的H3RegTM控制模式實現了高速負載瞬態響應（圖4），非常適合用作FPGA電源。
表1：BD95601MUV(1ch)、BD95602MUV(2ch)的規格概要
圖4：負載電流急劇變動也可用最小限的電壓降實現高速負載瞬態響應
【高速負載瞬態響應H3RegTM控制】
為了提高負載瞬態響應的速度，有一種解決方案是使用恒定導通時間控制，但H3RegTM控制是進一步提高負載急劇變動時的瞬態響應速度的、改進型(改良形)恒定導通時間控制方式（圖5）。
圖5：ROHM獨創的高速負載瞬態響應H3RegTM控制
●為了與內部電壓控制比較器輸入的標準電壓(REF)進行比較，將被分壓的輸出電壓反饋給FB引腳；
●在正常運行中，H3RegTM控制器一旦檢測到FB引腳的電壓低于REF電壓，在下述公式規定的時間(tON)之內，導通高邊MOSFET的柵極(HG)，使輸出電壓上升；
…………（公式）●tON后HG一旦關斷，低邊MOSFET的柵極(LG)導通，FB引腳電壓開始下降，當與REF電壓達到一致時關斷LG。
●通過這樣的反復運行，保持輸出恒定；
●負載急劇變動時，輸出降低、過了FB引腳電壓所規定的tON時間還沒有上升到REF電壓以上時，可通過延長tON時間、供給更多的電力來加快輸出電壓的恢復,即提高負載瞬態響應特性；
●輸出電壓恢復，即返回正常運行。
3．整合FPGA參考設計，獲得優異的電源特性
圖6為此次AVNET Internix Kintex7用ROHM電源模塊的VMGTAVtt輸出波形。由圖可見，VMGTAVtt為FPGA收發器用1.2V模擬電源，精度要求為±2.5%，最為苛刻。但是，1.2V輸出的BD95601MUV，波紋為5.6mV，誤差僅為0.47%。
圖6：電壓波紋波形
要想獲得優異的電源，一種方法是利用電源模塊或FPGA套件的評價結束后，移植到實機時，采用參考設計；同時采用獨自進行板上電源設計的也為數不少。
當然，值得強調的是，即使所有方面都進行了優化調整，如果IC自身性能不夠好，無論如何調整也無法獲得所述的優異特性。設計開關電源并不是一件簡單輕松的事。除了計算元件常數，為了獲得最佳特性還要進行元件的化學研究、基板設計，而且沒有調試就無法獲得真正的性能。
一直以來，ROHM在模擬設計技術方面擁有獨特優勢，擁有可實現具有這樣卓越特性的模塊的元件選型和基板設計技術訣竅，并具備完善的客戶支持體制。
4．總結
如前所述，FPGA所需要的電源，實際使用插座連接的FMC（FPGA Mezzanine Card）有時布線會較長，在特性方面要求更加苛刻。
在這種條件下，可以自豪的說，之所以能夠供應滿足7系列高端FPGA電源需求的模塊，是因為ROHM同時擁有卓越的電源用IC與電源設計的技術。
另外，選擇作為綜合性半導體廠家ROHM的參考設計，客戶在品質、可靠性、供應體制、服務支持、溝通等各個方面都可倍感安心，而且，ROHM不僅供應IC產品，還可一并供應分立器件等電氣電子元器件產品。
