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Hochintegrierte Power-Modul-Alternative

Rauscharm und für Zynq-UltraScale+-RFSoC

11. November 2020, 08:03 Uhr   |  Heng Yang

Rauscharm und für Zynq-UltraScale+-RFSoC
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Bild 1: MPS-Stromversorgung für das Zynq UltraScale+ RFSoC

Höchste Integration und hohe Effizienz: Mit den Power Modules von MPS sind kompakte Stromversorgungen für Xilinx-FPGAs möglich. Sie bieten eine flexible Lösung für die Kernspannung, da skalierbar.

Gegenüber traditionellen Linear-LDO-Lösungen lässt sich so die Effizienz von Spannungsversorgungen für sensitive HF-Wandler erheblich steigern.

Eine steigende Zahl von Hochleistungs-FPGA- und ASIC-Anwendungen mit hoher Rechenleistung und integrierten Drahtlos-Netzwerk-Komponenten erfordern Stromversorgungen mit hoher Leistungsdichte, schneller transienter Lastausregelung und hoher Effizienz. Xilinx‘ Zynq-UltraScale+-RFSoCs integrieren A/D- und D/A-Wandler im Gigasample/s-Bereich und Soft-Decision Forward Error Correction (SD-FEC) in einer SoC-Architektur, einschließlich eines ARM-Cortex-A53-Prozessorsubsystems, programmier- barer Logik und der hoher Signalverarbeitungsbandbreite.

Bestandteil dieser neuen Xilinx-Baureihe ist eine HF-Signalverarbeitung für Drahtlosnetze, Kabelnetze, Testsysteme, Radar und weitere Hochleistungs-HF-Applikationen. Allerdings erfordert die hohe Integration des Zynq-UltraScale+-RFSoC ein ausgeklügeltes Stromversorgungsdesign. Zusätzlich ist die Qualität der A/D- und D/A-Wandlungen abhängig von der Restwelligkeit ihrer Stromversorgung. MPS‘ Power-Module bieten sowohl eine hohe Effizienz als auch geringe Platzanforderungen. In diesem Artikel werden Stromversorgungen für ein Xilinx-Zynq-UltraScale+-RFSoC beschrieben. Gezeigt wird dabei das Referenzdesign EVREF0102A einer Stromversorgung, die extrem störarme Versorgungsspannungen erzeugt.

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Bild 2: Typische Struktur eines MPS-Power-Moduls

Stromversorgungs-Architektur

Bild 1 zeigt die Stromversorgungs-Architektur des Zynq-UltraScale+-RFSoC. Für das RFSoC werden über 30 Spannungen benötigt. Während die Spannungen im PL-Bereich für den RFSoC sind, handelt es sich bei den Spannungen im PS-Bereich um diejenigen für den Embedded ARM Core. Diese Spannungen werden für eine minimale Anzahl von Spannungswandlern zusammengefasst. Mithilfe der MPS-Module verringert sich die benötigte Leiterplattenfläche und die Stromversorgungs- Entwicklung wird vereinfacht.
Abhängig von der Teilenummer, der Applikation und dem Programm, das auf dem jeweiligen RFSoC läuft, variieren die Stromspezifikationen für die einzelnen Spannungen. Die Tabelle zeigt typische Stromanforderungen für jede Spannung für die Zynq-UltraScale+-RFSoC-Familie. Es wird empfohlen, das Xilinx Power Estimation (XPE) Tool zu nutzen, um die Stromanforderungen der Applikation zu bestimmen.

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Bild 3: Referenzdesign-Platine für das Zynq UltraScale+ RFSoC

Neben den Spannungs- und Stromanforderungen müssen die Stromversorgungen der Xilinx-FPGAs folgende Punkte erfüllen:
Die Welligkeit aller Spannungen (mit Ausnahme der Spannungen für den Analogteil) muss im eingeschwungenen Zustand unter 10 mV liegen.
Das Aufstarten aller Spannungen muss monoton erfolgen.
Die Sprungantwort der Core-Spannung (VCCINT) muss besser als ±3 Prozent für einen 25-Prozent-Lastsprung mit 100 A/μs sein.
Die Ein- und Ausschaltsequenz der Spannungen muss der von Xilinx spezifizierten Abfolge entsprechen.

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Bild 4: Einschalt- und Ausschaltsequenzen

Realisierung von optimierten Stromversorgungen mit Power-Modulen

MPS-Power-Module bieten eine hochintegrierte Stromversorgung mit hoher Effizienz. In Bild 2 ist die typische Struktur eines MPS-Power-Moduls dargestellt: Ein von MPS patentierter monolithischer IC, eine Induktivität und verschiedene passive Komponenten werden in einem vollverspritzen Gehäuse integriert. Kontaktiert sind die Komponenten auf einem Lead Frame, der den thermischen Widerstand von IC und Induktivität zur Leiterplatte minimiert. Bestandteile des monolithisch integrierten Schaltkreises sind die Leistungs-MOSFETs, Regler und Treiber auf einem Stück Silizium. Durch diese monolithische Technologie wird der parasitäre Widerstand minimiert und die Induktivität zwischen Treiber und Leistungs-MOSFETs. Dies reduziert die Schaltverluste.

Die Tabelle zeigt die MPS-Power-Module für die Xilinx-Zynq-UltraScale+-RFSoCs. Zudem sind diskrete Lösungen von MPS erhältlich.
Bild 3 stellt eine Referenzdesign-Platine für die Xilinx-Zynq-UltraScale+-RFSoCs (mit Ausnahme der HF-Datenwandler) dar. Dieses Referenzdesign verwendet fünf Power-Module. Im Fall des MPM3695-25 handelt es sich um ein 16-V-20-A-Power-Modul. Die Kernspannung verwendet zwei MPM3695-25s, die in Parallelschaltung arbeiten und bis zu 50 A Spitzenstrom bereitstellen. Ein einzelner MPM3695-25 versorgt bis zu 25 A Spitzenstrom für die Spannung 2 aus der Tabelle. Ein ultra-dünnes 14-V-7-A-Modul ist der MPM3695-10. Der MPM3632C schließlich ist ein 18-V-3-A-Power-Modul, das im Continuous Conduction Mode arbeitet (CCM).

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2. Modulreihe bietet großes Maß an Flexibilität

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