参考设计简化了 FPGA 电源管理

配备电源管理 IC (PMIC) 的设备往往更智能、更高效，因为它们可以调节设备内部和外部的能量流动。 PMIC 可帮助这些设备更有效地使用电力，同时延长其使用寿命。因此，对此类组件的需求正在迅速增加。

基于 FPGA 的系统中最关键的因素之一是电源管理。为 FPGA 供电需要仔细的系统分析，同样的技术几乎总是可以用于 ASIC。

工程师大部分时间都花在编程上，不想浪费时间和精力来考虑设计合适的电源。事实上，供电的最佳方法是使用稳健、灵活且经过测试的设计，该设计满足要求并可随设计扩展。

为 FPGA 内核供电的电压会受到以极高压摆率为特征的广泛电流变化的影响。这要求控制器能够向负载提供电流阶跃，同时最大限度地减少其输出电压的变化。

多电源轨、上电排序、严格的容差、瞬态响应、系统可靠性、解决方案总成本和尺寸——这些都是设计人员在为 FPGA 供电时关心的问题。解决这些挑战的一种方法是使用参考设计。

最近，瑞萨电子发布了三个 PMIC 参考设计，用于为 Xilinx FPGA 的多个电源轨供电。参考设计允许轻松管理 Xilinx Artix-7 FPGA、Spartan-7 FPGA 和 Zynq-7000 SoC 系统中的供电轨。瑞萨电子的 BGA 封装解决方案基于多相 PMIC，提供易于使用的统包解决方案，允许单个项目支持不同程度的 Xilinx 速度和 DDR 存储器类型，例如 DDR3、DDR3L、DDR4、LPDDR2 和 LPDDR3。

三个参考设计——ISL91211A-BIK-REFZ、ISL91211A-BIK-REFZ 和 ISL91211AIK-REFZ——基于瑞萨电子的 ISL91211AIK 和 ISL91211BIK PMIC，采用 BGA 封装。

适用于 Artix-7 设备的 ISL91211A-BIK-REFZ 参考设计板采用 ISL91211AIK 和 ISL91211BIK 多相 PMIC、ISL80030 3-A 同步降压 DC/DC 转换器和 ISL21010DFH312 微功率电压基准。 PMIC 可为多个电源轨提供高达 95% 的效率，并且它们接受来自插入式 AC/DC 适配器或 DC 电源的 5V 输入。 ISL80030支持3.3V、2.5V和1.8V的VCCO和VCC_IO，ISL21010DFH312支持1.25V的XADC输入电压，精度为±0.2%。

用于 Spartan-7 设备的 ISL91211BIK-REF2Z 参考设计板使用 ISL91211BIK 多相 PMIC 和 ISL80030 3-A 同步降压 DC/DC 转换器。 VCCINT、VCCBRAM、VCC_DDR、VCCAUX 和 VTT 需要 ISL91211BIK，它接受来自插入式 AC/DC 适配器或 DC 电源的 5V 输入。 ISL80030 DC/DC 转换器支持 3.3-V、2.5-V 和 1.8-V 轨的 VCCO 和 VCC_IO。

图 1：Spartan 7 的参考设计（图片：瑞萨电子）

适用于 Zynq-7000 器件的 ISL91211AIK-REFZ 参考设计板采用 ISL91211AIK 多相 PMIC、ISL9123 低 Iq 降压稳压器和两个 ISL80030 3-A 同步降压 DC/DC 转换器。 VCCINT、VCCBRAM、VCC_DDR 和 VCCAUX 需要 ISL91211AIK。 ISL9123 提供 VTT 电源轨，两个 ISL80030 DC/DC 转换器支持 3.3-V、2.5-V 和 1.8-V 轨的 VCCO 和 VCC_IO。

该解决方案可提供高达 20 A 的总输出电流，并配备独立的动态电压调节功能，有效加速了电机控制、机器视觉相机和可编程逻辑控制器等各种工业应用的电源开发（ PLC）。它们经过调整的控制反馈以最佳方式支持 Xilinx FPGA 的负载配置文件，并且无需额外算法即可在内部管理开/关排序。它们还可用于家庭网关和电器、便携式医疗设备和无线设备。

2MHz 开关频率和快速负载瞬态响应的应用允许每个 PMIC 板使用 22μF 输出电容器和一个小电感器来减小解决方案的尺寸。 PMIC 采用 4.7 × 6.3 毫米、35 球 BGA 和 0.8 毫米间距封装。

两种多相 PMIC 都提供瑞萨电子的 R5 调制技术，该技术允许极快的瞬变并可以动态改变输出电压以提高系统性能和效率。据瑞萨电子称，R5 控制器技术是一种专有调制技术，可对不断变化的输出负载条件提供最快的响应。

图 2：瑞萨 R5 技术的简化图（图片：瑞萨）

瑞萨电子将 R5 技术称为其独特的电流模式迟滞控制器的下一次发展，与之前的实现相比，它具有更高的带宽和更低的 Iq。

图 3：R5 调制技术的效率（图片：瑞萨）

R5 调制器使用滞后窗口和图 1 中标记的合成电流信号进行操作。 4 作为 Vcr。合成斜坡是电感波形的表示，无需直接检测电感电流。

图 4：瞬态条件下的 R5 控制器（图片：瑞萨电子）

在稳定状态下，控制窗口的目的是具有恒定的开关频率和恒定的占空比。窗口的位置允许环路比固定频率调制方案更好地对动态负载做出反应。 R5 调制器通过 MOSFET 中的电流间隙提高负载效率。

此外，R5 调制器不依赖于固定时钟来设置或重置 PWM 脉冲。因此，它当然可以在必要时跳过脉冲。当负载电流很小时，降低环路的开关频率，大大降低开关损耗。

所有参考设计板均随附用户指南、完整原理图、物料清单和 PCB 布局文件。它们可通过瑞萨电子的分销网络获得。