FPGA-Eval-Board »Lattice CertusPro-NX«
Energiezufuhr auf Maß getrimmt
Moderne FPGAs wie die CertusPro-NX-Bausteine von Lattice Semiconductor eignen sich für viele Anwendungsbereiche, aber ihre Stromversorgung muss an die Anwendung angepasst werden.
Das CertusPro-NX-Evaluierungs-Board von Lattice Semiconductor wurde entwickelt, damit die Anwender die Funktionen des CertusPro-NX-FPGAs untersuchen und mit ihm experimentieren können. In diesem Evaluierungssystem sind die DC/DC-Regler für die unterschiedlichen Stromversorgungspegel des FPGAs auf dem Board enthalten. Die meisten Stromversorgungspegel sind entsprechend der Präferenz der Anwender wählbar. Hilfreich ist dabei eine Empfehlung für jede Stromversorgungsoption des CertusPro-NX-Evaluierungs-Boards. Um die Design- komplexität, den Wirkungsgrad, den Platzbedarf und die Kosten der Gesamtlösung zu optimieren, muss diese Stromversorgung die modernsten und leistungsfähigsten Power-Produkte in die Auswahl einbeziehen.
Es ist häufig der Fall, dass Evaluierungs-Boards mit einer Stromversorgungs-architektur entwickelt wurden, die den vollen Funktionsumfang des FPGAs unterstützt. Diese Methode ist passend für Evaluierungs-Boards, eignet sich aber nicht besonders gut für die Integration in Systeme, die diese umfassende Leistungsfähigkeit nicht erfordern. Sie kann z. B. für Implementierungen überdimensioniert sein, die auf kleinste Ausmaße des Systems optimiert sind oder nicht den vollen Funktionsumfang des FPGAs benötigen. Welcher Ansatz sich am besten für eine CertusPro-NX-Applikation eignet, hängt davon ab, welche Prioritäten ein Systemarchitekt für ein bestimmtes Projekt als entscheidend erachtet.
Eine diskret aufgebaute Lösung priorisiert Wirkungsgrad und Kosten, aber nicht die physikalischen Ausmaße des Layouts. In Systemen, in denen geringste Ausmaße höchste Priorität haben, bietet die µModule-Lösung von Analog Devices eine unerreicht hohe Leistungsdichte, die mit einem konventionellen Layout nicht erreicht werden kann und erzielt dabei immer noch einen Leistungsvorsprung über das bestehende CertusPro-NX-Referenzdesign. Dieses Referenzdesign ist in der Hinsicht einzigartig, dass es dem Systemarchitekten erlaubt, auszuwählen, welche Version der Stromversorgung er einsetzen möchte.
Stromversorgungsarchitektur des CertusPro-NX-Evaluierungs-Boards
Auf dem CertusPro-NX-Evaluierungs-Board werden die meisten Regler direkt von einer externen 12-V-Stromversorgung gespeist. Jeder VCCIO-Pin des FPGAs hat seine standardmäßigen, aber variablen Stromversorgungspegel, die je nach Anwenderpräferenz sowie entsprechend der Applikation ausgewählt werden. Bild 1 zeigt die nutzbaren Spannungsschienen, die mit den spezifischen VCCIO-Pins des FPGAs verbunden sind.
Jeder von den VCCIO-Pins genutzte Spannungspegel wird von jeweils einem Spannungsregler auf dem Board generiert. Die Eingangsspannung wird von einer externen 12-V-Quelle gespeist. Bild 2 zeigt die verschiedenen Ausgangsspannungen, die von den Reglern auf dem Board direkt aus der 12-V-Eingangsspannung generiert werden. Für eine Nachregelung werden bei Bedarf LDO-Regler eingesetzt, um eine niedrigere Spannung zu erzeugen und gleichzeitig das Rauschen am Ausgang zu reduzieren.
Empfohlene Architekturen für die Stromversorgung
Als Eingangsstromversorgung für das Evaluierungs-Board wird ein geregeltes 12-V-Netzteil verwendet. Basierend auf diesem Netzteil und den erforderlichen Spannungspegeln auf dem Board kann eine direkte Abwärtswandlung gewählt werden, um alle notwendigen Spannungspegel direkt und in einem Schritt aus den 12 V zu generieren.
Benötigt der Anwender einen größeren Eingangsspannungsbereich oder eine höhere Eingangsspannung (z. B. 24 V), kann man auf eine zweistufige Wandlung übergehen. Damit kann man zuerst einen Zwischenspannungspegel von z. B. 5,0 V oder 3,3 V erzeugen, der dann genutzt wird, um die folgenden Regler zu versorgen, welche die gewünschten niedrigeren Spannungen generieren, wie in Bild 3 dargestellt.
Die Entscheidung, welche Topologie gewählt wird, hat einen Einfluss auf unterschiedliche Parameter wie den Wirkungsgrad, die Schaltfrequenz jedes Konverters und den Flächenbedarf der Gesamtlösung. Diese müssen in jeder neuen Implementierung sorgfältig abgewogen werden, um die Stromversorgungsarchitektur für jede neue Produktentwicklung zu optimieren. Ein sicherer Schutz vor Überspannungen und ein Filter am Eingang können ebenfalls nötig sein.
Es wurden von Analog Devices zwei Varianten zur Stromversorgung des CertusPro-NX-Evaluierungs-Boards mit unterschiedlichen Prioritäten entwickelt, die beide die beschriebene einstufige Abwärtswandlung nutzen. Die erste Variante ist eine diskrete Lösung, die monolithische DC/DC-Wandler einsetzt. In diesem Fall hat der Anwender die Möglichkeit, externe Schaltungskomponenten so zu wählen, dass er jeden einzelnen Regler auf z. B. maximale Effizienz oder geringsten Platzbedarf optimieren kann. Die zweite Variante ist eine vollständig integrierte Lösung auf Basis der µModule-Technologie von ADI. Diese Variante garantiert für jede Applikation die kompakteste Lösung mit dem einfachsten Layout, und gleichzeitig exzellenten Leistungsparametern.
Die aktualisierte Stromversorgungsarchitektur für das CertusPro-NX-Evaluierungs-Board ist in »LTpowerPlanner« enthalten, ein Software-Tool, das die Optimierung von Stromversorgungsstrukturen auf Systemebene erlaubt. Anschließend wird »LTpowerCAD« verwendet, um einen detaillierten Schaltungsvorschlag pro ausgewähltem DC/DC-IC zu erstellen. Dies schließt die Berechnung der erwarteten Leistungsparameter der Schaltung ein, basierend auf den Vorgaben für die IC-Nutzung und der passiven Komponenten. Diese Programme sind Teil einer Tool-Suite für Windows, die von der »LTpowerCAD«-Webseite heruntergeladen werden kann. Diese Webseite enthält auch Dokumentationen, Trainingsmaterial und Videos, um mit der Entwicklung starten zu können.
Die diskrete Stromversorgungslösung
Der diskrete Stromversorgungsansatz bietet die beste individuelle Leistung für die einzelnen DC/DC-Regler einer jeden Spannungsschiene, da sie es den Entwicklern erlaubt, die externen Schaltungskomponenten für die jeweilige Anwendung zu optimieren. Die aktualisierte Empfehlung für die diskrete Stromversorgung bietet signifikante Leistungsverbesserungen gegenüber der bestehenden Stromversorgung auf dem Standard-FPGA-Evaluierungsboard. Alle DC/DC-Wandler nutzen interne Schalter, um den Wirkungsgrad zu maximieren und ermöglichen gleichzeitig ein kompaktes Design und ein hervorragendes EMI-Verhalten. Bild 4 zeigt die diskrete Stromversorgungsstruktur für das CertusPro-NX-Evaluierungs-Board.
Ein möglicher Schaltregler ist der LT8653S. Er basiert auf der Silent-Switcher-Architektur der zweiten Generation, um die Emissionen durch EMI zu minimieren und dennoch einen hohen Wirkungsgrad auch bei hohen Schaltfrequenzen zu liefern. Mit einem weiten VIN-Bereich und zwei 2-A-Ausgängen ist dies ein idealer Kandidat. Es sind zwei Spannungspegel mit 1,8 und 3,3 V erforderlich, um Ausgangsströme zu erzeugen, die mit 3 A bzw. 4 A höher sind als der Strom, den der LT8653S liefern kann. In dem Fall ist der ADP2387 ein idealer Kandidat für diese Applikation.
Als möglicher Linearregler kommt der MAX38903C infrage. Er ist ein rauscharmer Linearregler, der bis zu 1 A Ausgangsstrom bei nur 5,5 µVrms (10 Hz – 100 kHz) Ausgangsrauschen liefern kann. Er wird als Nachregler mit hoher Rauschunterdrückung auf einer 1-V-Schiene des CertusPro-NX-Evaluierungs-Boards eingesetzt. Sein geringes Ausgangsrauschen und die hohe Rauschunterdrückung machen den MAX38903C zu einer intelligenten Wahl für den Einsatz in der Stromversorgung des CertusPro-NX-Evaluierungs-Boards. Der ADP1707 wiederum ist ein Low-Dropout-CMOS-Regler (LDO) mit einer Ausgangsspannung von 1,8 V und bis zu 1 A Ausgangsstrom in einem 3 mm x 3 mm großen »Exposed-Pad«-LFCSP-Gehäuse. Dies ermöglicht eine sehr kompakte und flache Lösung mit sehr guten thermischen Eigenschaften, ideal für die Stromversorgung des CertusPro-NX-Evaluierungs-Boards.
- Energiezufuhr auf Maß getrimmt
- Die µModule-Stromversorgung
- Designlösung mit µModule in der Praxis
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