最新FPGA所需求的电源IC

近年来，电子设备（应用）的多样化与高性能化以惊人的速度不断发展。可以说，这种趋势使各产品的开发周期缩短，并给半导体技术带来了巨大的发展空间。
在这种背景下，被称为FPGA的LSI为电子设备的开发做出了巨大贡献，它比以往任何时候更引人关注，市场规模不断扩大。
1．何谓FPGA
FPGA为Field Programmable Gate Array的缩写，意为在现场（Field）、可擦写（Programmable＝可编程）的、逻辑门（Gate）呈阵列（Array）状排布的半定制LSI，简言之，即“后期电路可擦写逻辑元件”。
产品售出后也可进行再设计，可顺利进行产品的更新以及新协议标准的应对。这是制成后内容即被固定的ASIC (Application Specific Integrated Circuit：特定应用定制IC）和ASSP （Application Specific Standard Product：特定应用的功能专业化的标准、市售IC）所没有的、只有FPGA才具备的特点。
FPGA不仅具备可再编程的灵活性，随着近年来技术的发展，FPGA的高集成度、高性能化、低功耗化、低成本化也在不断进步，FPGA已经逐渐具备了与ASIC和ASSP同等程度的功能，因此，在各种电子设备中的应用日益广泛。

2．FPGA所需求的电源规格
ROHM于今年7月开发出并发布了对应最新FPGA的、即Xilinx公司生产的28nm制程7系列的开关稳压控制器“BD95601MUV(1ch)”、“BD95602MUV(2ch)”。另外，还开发出用于AVNET Internix公司FPGA用开发套件(Mini Module Plus)（照片1）的电源模块板。（照片2）
这两种成为参考设计的电源IC性能非常好，而且通用性强，不仅可用于FPGA，还可在更广泛的应用中使用。


照片1：AVNET Internix公司生产的FPGA用开发套件（Mini Module Plus）


照片2：ROHM电源模块板

最近的高端FPGA（此次AVNET Internix公司的开发套件为Xilinx Kintex-7用），由于其制程工艺的微细化以及与其相应的低电压化、内核部与接口部的电源分离以及数字电路与模拟电路的混装等多电源化，必然需要先进的电源管理。电压精度当然要求低波纹，而且要求具备投入时序管理和优异的负载瞬态响应性能。图1为ROHM电源模块的输出结构，表示生成上述项目的各开关稳压控制器与电压/电流。


图1：电源模块的输出结构与FPGA的电源要求

这种模块需要内部电路、I/O、RAM、收发器用等共8种电压。以内部电路用VCCINT为例，电压精度为±3%。
系统电压等通常为±5%，因此，仅从比例考虑的话±3%可视为稍微苛刻的要求，但按实际的容许电压考虑的话：3.3V±3%为3.3V±99mV，VCCINT＝1.0V±3%为1.0V±30mV，即VCCINT的容差仅为±30mV，当电压较低时，实际的容许电压值要求严格。这对于具有波纹电压的开关稳压器来说是非常苛刻的条件，如果负载瞬态响应速度不够快，也很容易超出容许范围。对于电源来说，实现低电压高电流输出、高精度高稳定性是巨大的课题。
另外，不仅是电源精度，对于多数电源来说，都已详细规定了电源上电时序、断电时序，不满足这些要求就会发生FPGA不启动等问题。

―实现高速负载瞬态响应的ROHM开关稳压控制器―
使这些FPGA可靠地启动、稳定地工作的开关稳压控制器“BD95601MUV(1ch)”、“BD95602MUV(2ch)”的主要规格如下。
【特点】
●采用ROHM独创的可高速负载瞬态响应的H3Reg控制方式
●最高效率达95%以上
●可选择轻负载时进行间歇脉冲控制的轻负载模式、重视低波纹控制的PWM连续控制模式、轻负载时防啸叫控制的静音轻负载模式
●搭载实现多种电源时序的可调软启动端子、P.G.输出端子
●搭载各种保护功能(OCP、SCP、UVLO、TSD)
【规格概要】
参见表1。基本上，两种产品都是高效同步整流的降压型控制器，不仅在重负载时的效率高，轻负载时的效率也很高。标准电压为0.75V/0.7V，适用低电压，±1%的精度对于前述的±3%的精度来说具有充分的余量。不仅如此，通过ROHM独创的H3Reg控制模式实现了高速负载瞬态响应（图2），非常适合用作FPGA电源。


表1：BD95601MUV(1ch)、BD95602MUV(2ch)的规格概要


图2：负载电流急剧变动也可用最小限的电压降实现高速负载瞬态响应

【高速负载瞬态响应H3Reg控制】
为了提高负载瞬态响应的速度，有一种解决方案是使用恒定导通时间控制，但H3Reg控制是进一步提高负载急剧变动时的瞬态响应速度的、改进型(改良形)恒定导通时间控制方式（图3）。


图3：ROHM独创的高速负载瞬态响应H3Reg控制

●为了与内部电压控制比较器输入的标准电压(REF)进行比较，将被分压的输出电压反馈给FB引脚；
●在正常运行中，H3Reg控制器一旦检测到FB引脚的电压低于REF电压，在下述公式规定的时间(tON)之内，导通高边MOSFET的栅极(HG)，使输出电压上升；



●tON后HG一旦关断，低边MOSFET的栅极(LG)导通，FB引脚电压开始下降，当与REF电压达到一致时关断LG。
●通过这样的反复运行，保持输出恒定；
●负载急剧变动时，输出降低、过了FB引脚电压所规定的tON时间还没有上升到REF电压以上时，可通过延长tON时间、供给更多的电力来加快输出电压的恢复,即提高负载瞬态响应特性；
●输出电压恢复，即返回正常运行。

3．整合FPGA参考设计，获得优异的电源特性
图4为此次AVNET Internix Kintex7用ROHM电源模块的VMGTAVtt输出波形。由图可见，VMGTAVtt为FPGA收发器用1.2V模拟电源，精度要求为±2.5%，最为苛刻。但是，1.2V输出的BD95601MUV，波纹为5.6mV，误差仅为0.47%。
要想获得优异的电源，一种方法是利用电源模块或FPGA套件的评价结束后，移植到实机时，采用参考设计；同时采用独自进行板上电源设计的也为数不少。


图4：电压波纹波形

当然，值得强调的是，即使所有方面都进行了优化调整，如果IC自身性能不够好，无论如何调整也无法获得所述的优异特性。设计开关电源并不是一件简单轻松的事。除了计算元件常数，为了获得最佳特性还要进行元件的化学研究、基板设计，而且没有调试就无法获得真正的性能。
一直以来，ROHM在模拟设计技术方面拥有独特优势，拥有可实现具有这样卓越特性的模块的元件选型和基板设计技术诀窍，并具备完善的客户支持体制。
4．总结
如前所述，FPGA所需要的电源，实际使用插座连接的FMC（FPGA Mezzanine Card）有时布线会较长，在特性方面要求更加苛刻。
在这种条件下，可以自豪的说，之所以能够供应满足7系列高端FPGA电源需求的模块，是因为ROHM同时拥有卓越的电源用IC与电源设计的技术。
另外，选择作为综合性半导体厂家ROHM的参考设计，客户在品质、可靠性、供应体制、服务支持、沟通等各个方面都可倍感安心，而且，ROHM不仅供应IC产品，还可一并供应分立器件等电气电子元器件产品。