基于同步降压DC/DC调整器的供电模块设计

　　随着工艺技术的发展与市场需求，超大规模、高速、低功耗的新型现场可编程逻辑器件(FPGA)不断推出，给电路设计带来极大的方便。在采用大规模FPGA的开发系统中，供电模块的设计将直接影响到系统的稳定性，因此设计出高效、稳定的供电模块显得尤为重要。本文以可扩展网络交换调度系统的FPGA验证平台为例，介绍FPGA供电模块的设计方法。

　　目前，FPGA、DSP等芯片的电源供电方案主要有三种：低压差线性稳压器(LDO)、电源模块和开关稳压电源。其中采用集成FET的称为DC/DC调整器，采用非集成FET的称为DC/DC控制器。

　　LDO的基本原理是根据负载电阻的变化情况调节自身的内阻，从而保证稳压器输出端的电压不变，因此LDO只适用于降压变换。其具体效果与输入/输出电压比有关，变换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。由于采用线性调节原理，瞬态特性好。LDO本质上没有输出纹波，但随着LDO的输入/输出电压差别增大或者输出电流增加，LDO的发热比会成比例增大，所以在散热控制方面要求很高。LDO稳压器为电流输出要求较低的应用提供了体积小且廉价的解决方案。

　　DC/DC调整器利用了磁场储能，无论升压、降压或是两者同时进行，都可以实现相当高的变换效率。由于变换效率高，因此发热很小，散热处理得以简化，所以DC/DC调整器一般不再需要附加一个成本较高、面积较大的散热器。考虑到DC/DC调整器集成有FET，使用时只需外接一个电感和必不可少的输入电容和输出电容，故可以使整个解决方案的空间利用率大大提高，尤其对于需要大电流的FPGA来说十分理想。由于是开关稳压器电源，与LDO相比，DC/DC调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较慢、容易产生电磁干扰(EMI)。要取得低纹波、低EMI、低噪声的电源，关键在于电路设计，尤其是输入/输出电容、输出电感的选择和布局。DC/DC调整器占用面积较大。

　　DC/DC控制器和DC/DC调整器的差别主要是没有内置的FET。因此，设计者可以选用有特定导通电阻的外接FET晶体管，并根据应用的需要调整电流，使设计具有很大的灵活性，这在需要十几甚至几十安培电流的特大规模FPGA开发系统中非常有用。与DC/DC调整器相比，采用这种方案设计，既要选择适当的输入电容/输出电容、输出电感，又要选择符合要求的FET，增加了设计难度和总成本。此外，由于FET外置，占用空间也相对较大。

　　电源模块从原理上来说是个开关稳压器，所以它的效率非常高。相对于普通开关稳压器，它的集成度更高，因此外围只需要一个输入电容和一个输出电容即可工作，设计简便，适合要求开发周期非常短的应用。它一般以可插拔的形式给出。由于电源模块上集成了几乎所有可以集成的东西，灵活性相对较差，价格也相对较高。

　　1 器件选型与功能介绍

　　本文中的交换调度系统的FPGA验证平台采用4片Xilinx VirtexII FPGA作为网络包调度器实现可扩展的交换调度功能，其中VirtexII的核心电压VCCINT为1.5V，辅助电压VCCAUX和输出驱动电压VCCO均为3.3V。由于需要对4片FPGA供电，电源板面积较大。为了调试方便，对整个供电电路采用单独设计制板，根据器件和系统的要求，本设计采用DC/DC调整器方案。

　　采用DC/DC调整器的供电方案虽然有多种，但考虑到每个供电模块需要对两片FPGA供电，而且通过仿真估算出的每片FPGA的最大电流为2A左右，加上一定的裕量，因此需要单个供电模块最大能够提供6A左右的电流。

　　TPS54610是TI公司专门为DSP、ASIC和FPGA等多芯片系统供电而设计的一款低电压输入、大电流输出的同步降压DC/DC调整器，内含30MΩ、12A峰值电流的MOSFET开关管，最大可输出6A电流。输出电压从0.9V到3.3V可调，误差率为1%。开关频率可固定在350kHz或550kHz,也可以在280kHz到700kHz之间调整。另外，它还具有限流电路、低压闭锁电路和过热关断电路。而且TPS54610的集成化设计又减少了元件数量和体积，因此，可广泛用于低电压输入、大电流输出的分散电源系统中。经过分析，采用两片TPS54610为两片FPGA供电的方案。

　　TPS54610采用28脚TSSOP封装，其引脚排列如图1所示。各引脚功能如下：

　　·AGND(1脚)：模拟地。

　　·VSENSE(2脚)：误差放大反馈输入，通过补偿网络/输出分压器连接输出电压。

　　·COMP(3脚)：误差放大器输出，COMP脚与VSENSE脚间应接频率补偿电路。

　　·PWRGD(4脚)：当VSENSE端的电压高于Vref的90%时，输出为高，否则为低。

　　·BOOT(5脚)：自举电路输出，在BOOT脚和PH脚之间应连接0.022μF～0.1μF的电容。

　　·PH(6～14脚)：相输出，功率MOSFET高低端与输出电感的连接点。

　　·PGND(15～19脚)：电源地，使用时应与AGND单点连接。

　　·VIN(20～24脚)：电源输入，与PGND间应连接10μF的电容。

　　·VBIAS(25脚)：内部偏压调节，与AGND引脚间应接一个0.1μF～1μF的陶瓷电容。

　　·SS/ENA(26脚)：软启动/输入输出使能端，可提供控制器允许工作逻辑信号。 该脚的另一个功能是通过外接电容设置软启动时间。

　　·SYNC(27脚)：同步输入，可提供外部振荡器同步逻辑信号，此时要求RT引脚必须连接一个电阻，在内部振荡时用于开关频率的切换。

　　·RT(28脚)：频率设置电阻输入，在RT和AGND间连接一个电阻可以设置开关频率， 当使用SYNC端时， 通过RT设置的频率应稍低于外部振荡器的频率。