FPGA-Eval-Board »Lattice CertusPro-NX«
Energiezufuhr auf Maß getrimmt
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die µModule-Stromversorgung
Die Modullösung andererseits ermöglicht dank der µModule-Technologie die kleinste und einfachste Lösung – und das ohne Leistungseinbußen gegenüber anderen Ansätzen. Die µModule-Regler von Analog Devices sind komplette Power-Management-SiPs (System-in-a-Package) mit integrierten DC/DC-Controllern, Leistungstransistoren, Ein- und Ausgangskondensatoren, Kompensationskomponenten und Spulen in einem kompakten oberflächenmontierbaren BGA- oder LGA-Gehäuse. µModule-Stromversorgungsprodukte unterstützen Funktionen wie Abwärtswandlung, Ab-/Aufwärtswandlung, Batterieladen sowie isolierte Wandler und LED-Treiber.
Bild 5 zeigt die Stromversorgungsstruktur für das CertusPro-NX-Evaluierungs-Board mit µModule-Bauteilen. Die erste Stufe nach der externen 12-V-Eingangsversorgung ist ein µModule-DC/DC-Regler-Array. Die nächste Stufe besteht aus Linearreglern. Die gewählten Linearregler für das µModule-Design (Bild 5) sind dieselben Komponenten wie im diskreten Design (Bild 4).
Schaltregler-Module
Ein mögliches Schaltreglermodul ist der LTM8078. Dabei handelt es sich um einen Silent-Switcher-µModule-Step-Down-Regler mit max. 40 VIN und zwei 1,4-A-Ausgängen, die zu einem 2,8-A-Ausgang kombiniert werden können. Seine Silent-Switcher-Architektur minimiert EMI und bietet einen hohen Wirkungsgrad bei Schaltfrequenzen von bis zu 3 MHz. Im Gehäuse sind der Controller, die Leistungsschalter, Spulen und weitere Komponenten integriert. Der Regler arbeitet in einem weiten Eingangsspannungsbereich und mit einer Schaltfrequenz zwischen 300 kHz bis 3 MHz. Um das Design zu komplettieren sind nur noch die nötigen Ein- und Ausgangs-Filterkondensatoren notwendig – damit ist er eine ideale Stromversorgungsoption für das CertusPro-NX-Evaluierungs-Board.
Als zweite Möglichkeit kommt der LTM4625 infrage, ein Step-Down-5A-µModule-Schaltregler in einem winzigen BGA-Gehäuse mit 6,25 mm x 6,25 mm x 5,01 mm Kantenlänge. Das Modul weist einen hohen Wirkungsgrad auf und kann bis zu 5 A kontinuierlichen Ausgangsstrom liefern. Es werden auch hier nur zusätzlich die Ein- und Ausgangskondensatoren benötigt. Eine hohe Schaltfrequenz und die Current-Mode-Regelung erlauben ein schnelles Einschwingverhalten bei Eingangsspannungs- und Lastwechseln ohne die Reglerstabilität zu verschlechtern.
Diskreter Aufbau in der Praxis
Nach den im Datenblatt des CertusPro-NX-Evaluierungs-Boards empfohlenen Betriebsbedingungen sollen alle Versorgungsspannungen innerhalb von ±5 Prozent ihres typischen Wertes liegen.
Der typische Fehler der Ausgangsspannung für solche Designs setzt sich hauptsächlich durch die Toleranzen der Feedback-Widerstände, die VREF-Spannung der Regler, die Welligkeit (Ripple) der Ausgangsspannung und die Lastausregelung zusammen. In diesem Design wird das <5-Prozent-Ziel für alle Regler eingehalten und erlaubt somit einen zuverlässigen Betrieb des FPGA.
In Tabelle 1 sind die Werte für ausgewählte Spannungspegel enthalten, um die typische und repräsentative Leistung für die Ausgänge der 1,35-A-LT8653S- und 3-A-/4-A-ADP2387-Bausteine zu zeigen.
Schiene 1: VDD_1V8
VDD_1V8 benötigt eine 1,8-V-Ausgangsspannung und sollte bis zu 1,35 A Ausgangsstrom liefern können. Dies wird mit dem Einsatz eines Kanals des LT8653S erreicht. Der erlaubte Gesamtfehler von ±5 Prozent der Ausgangsspannung bei maximaler Ausgangslast der Applikation wurde während der Entwicklung sorgfältig untersucht, um sicherzustellen, dass die empfohlenen Betriebsbedingungen auch eingehalten werden.
Um eine hohe DC-Genauigkeit zu erzielen, wird die interne Referenzeinstellung genutzt. Der Kanal dieses Bausteins ist auf 1,8 V Feedback- Referenzspannung konfiguriert. Damit werden die Fehler durch die nun externen Feedback-Widerstände eliminiert. Bild 6 zeigt das von »LTpowerCAD« generierte Schaltbild für VDD_1V8 und VCC_3V3.
Um während der Untersuchung dieses Spannungsreglers sicherzustellen, dass der Ausgang innerhalb der empfohlenen Betriebsbedingungen liegt, wurde die Lastausregelung mit einem sehr schnellen und hohen Lastsprung als Stimulus evaluiert. Der Lastsprung erfolgt zwischen Ausgangsstromwerten von 0 auf 1 A mit einer Anstiegsrate von 10A/µs und einer Pulsdauer von 150 µs
Mit diesem Ergebnis und unter Einbeziehung der Über- und Unterschwinger während eines Lastsprungs und einschließlich der Ausgangsspannungswelligkeit liegt die Spannung innerhalb der empfohlenen Betriebsbedingung von ±5 Prozent (Tabelle 2).
Schiene 2: VCC_3V3
VCC_3V3 nutzt den zweiten Kanal des LT8653S zusammen mit dem Pegel VDD_1V8. Genau wie dieser muss auch VCC_3V3 in der Lage sein, einen Ausgangsstrom von 1,35 A zur Versorgung der VCCIO-Pins des CertusPro-NX-FPGAs zu liefern. Es gibt auch hier eine IC-Option für eine feste Ausgangsspannung von 3,3 V, die mit einem intern getrimmten Feedback-Spannungsteiler arbeitet und deshalb zu einer hohen DC-Genauigkeit führt.Der Schaltplan und die Werte der Schaltungskomponenten sind in Bild 6 zu sehen.
Tabelle 3 listet die Ergebnisse der Lastausregelung auf, wobei sowohl die Über- als auch Unterschwinger, einschließlich der Ausgangswelligkeit, eine Spannung innerhalb der empfohlenen Betriebsbedingung von ±5 Prozent einhalten.
Schiene 7: VCC_ADJ
VCC_ADJ erfordert eine 1,8-V-Ausgangsspannung und sollte bis zu 4 A Ausgangsstrom an VCCIO und den FMC-Stecker liefern können. Bei dieser Applikation wurde sorgfältig darauf geachtet, dass der Fehler der Ausgangsspannung von insgesamt ±3 Prozent bei maximaler Last nicht überschritten wird, um die empfohlenen Betriebsbedingungen einzuhalten.
Um eine hohe DC-Genauigkeit zu erzielen, wird wieder die interne Referenz genutzt. Der Fehlerverstärker dieses Bauteils ist auf eine Feedback-Referenzspannung von 1,8 V konfiguriert und kompensiert damit auch wieder die sonst auftretenden Widerstandstoleranzen.
Das Einschwingverhalten dieses Reglers wurde mit einer schnellen Laststromänderung evaluiert, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung im Betrieb stets innerhalb der Toleranzgrenzen liegt. Der Lastsprung von 0 auf 1 A wurde mit einer Anstiegsrate von 10 A/µs und einer Pulsdauer von 150 µs eingestellt.
Betrachtet man die Ergebnisse der Über- und Unterschwinger (Tabelle 4) während des Lastwechsels einschließlich der Welligkeit der Ausgangsspannung, liegt die Spannung innerhalb der empfohlenen ±5 Prozent und ist besser als der Zielwert von ±3 Prozent.
Schiene 8: VDD_3V3
VDD_3V3 muss einen Ausgangsstrom von 3 A als Versorgung für die FMC-Stecker-Pins des CertusPro-NX-FPGA-Boards liefern können. Tabelle 5 listet die Ergebnisse des transienten Lastverhaltens auf, bei dem sowohl Über- als auch Unterschwinger einschließlich der Ausgangsspannungswelligkeit innerhalb des empfohlenen Betriebsbereichs von ±3 Prozent liegen.
- Energiezufuhr auf Maß getrimmt
- Die µModule-Stromversorgung
- Designlösung mit µModule in der Praxis
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Video: Richtige Treiber für GaN-Nutzung
GaN ja, aber richtig!
GaN-Treiber
Robuste und zuverlässige Ansteuerung von GaN-FETs
JASM
Analog Devices sichert sich Wafer-Kapazitäten bei TSMC
Aktiv klemmende Vorwärtswandler
Hohe Effizienz für die Telekommunikation
Intelligenz für die Fabrik der Zukunft
Die Energieeffizienz verdoppeln!
Eine Frage der Architektur
Präzise HF-Prüfungen mit RasPi-basiertem DDS-Signalgenerator
