配備電源管理IC（PMIC）的嵌入式設(shè)備往往更智能，更高效，因?yàn)樗鼈冋{(diào)節(jié)了嵌入式設(shè)備內(nèi)部和外部的能量流。PMIC幫助這些嵌入式設(shè)備更有效地使用電源，同時(shí)延長其使用壽命。因此，對這種部件的需求正在迅速增加。
基于FPGA的系統(tǒng)中最關(guān)鍵的因素之一就是電源管理。為FPGA供電需要仔細(xì)的系統(tǒng)分析，并且?guī)缀蹩梢允冀K將相同的技術(shù)用于ASIC。
工程師們將大部分時(shí)間都花在編程上，不想浪費(fèi)時(shí)間和精力來設(shè)計(jì)正確的電源。實(shí)際上，供電的最佳方法是使用堅(jiān)固，靈活且經(jīng)過測試的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以滿足要求，并且可以隨設(shè)計(jì)進(jìn)行擴(kuò)展。
提供給FPGA內(nèi)核的電壓會發(fā)生很大的電流變化，其變化率非常高。這要求控制器能夠向負(fù)載傳遞電流階躍，同時(shí)將其輸出電壓的變化降至最低。
多個(gè)電源軌，上電排序，嚴(yán)格的容差，瞬態(tài)響應(yīng)，系統(tǒng)可靠性，總體解決方案成本和尺寸-這些是設(shè)計(jì)人員在給FPGA供電時(shí)要考慮的問題。解決這些挑戰(zhàn)的一種方法是使用參考設(shè)計(jì)。
最近，瑞薩電子發(fā)布了三種PMIC參考設(shè)計(jì)，用于為Xilinx FPGA的多電源軌供電。參考設(shè)計(jì)使Xilinx Artix-7 FPGA，Spartan-7 FPGA和Zynq-7000 SoC系統(tǒng)中的軌道饋送易于管理。瑞薩的BGA封裝解決方案基于多相PMIC，提供易于使用的統(tǒng)包解決方案，使單個(gè)項(xiàng)目可以支持不同程度的Xilinx速度和DDR存儲器類型，例如DDR3，DDR3L，DDR4，LPDDR2和LPDDR3。
這三種參考設(shè)計(jì)-ISL91211A-BIK-REFZ，ISL91211A-BIK-REFZ和ISL91211AIK-REFZ-基于瑞薩電子（Brea）封裝的瑞薩電子ISL91211AIK和ISL91211BIK PMIC。
用于Artix-7器件的ISL91211A-BIK-REFZ參考設(shè)計(jì)板采用了ISL91211AIK和ISL91211BIK多相PMIC，ISL80030 3-A同步降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器以及ISL21010DFH312微功耗電壓參考。PMIC為多個(gè)電源軌提供高達(dá)95％的效率，并且它們接受來自插入式AC / DC適配器或DC電源的5V輸入。ISL80030支持3.3V，2.5V和1.8V的VCCO和VCC_IO，而ISL21010DFH312用于1.25V的XADC輸入電壓，精度為±0.2％。
用于Spartan-7器件的ISL91211BIK-REF2Z參考設(shè)計(jì)板使用ISL91211BIK多相PMIC和ISL80030 3A同步降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器。VCCINT，VCCBRAM，VCC_DDR，VCCAUX和VTT需要ISL91211BIK，并且它接受來自插入式AC / DC適配器或DC電源的5V輸入。ISL80030 DC / DC轉(zhuǎn)換器支持VCCO和VCC_IO，適用于3.3V，2.5V和1.8V電源軌。
圖1：Spartan 7的參考設(shè)計(jì)
用于Zynq-7000器件的ISL91211AIK-REFZ參考設(shè)計(jì)板利用了ISL91211AIK多相PMIC，ISL9123低IQ降壓穩(wěn)壓器和兩個(gè)ISL80030 3-A同步降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器。VCCINT，VCCBRAM，VCC_DDR和VCCAUX需要ISL91211AIK。ISL9123為VTT電源軌供電，兩個(gè)ISL80030 DC / DC轉(zhuǎn)換器支持VCCO和VCC_IO，用于3.3V，2.5V和1.8V電壓軌。
這些解決方案可提供高達(dá)20 A的總輸出電流，并配備獨(dú)立的動態(tài)電壓縮放功能，有效地加速了針對各種工業(yè)應(yīng)用的電源開發(fā)，例如電機(jī)控制，機(jī)器視覺相機(jī)和可編程邏輯控制器（ PLC）。它們經(jīng)過調(diào)節(jié)的控制反饋可以最佳地支持Xilinx FPGA的負(fù)載曲線，并且可以在內(nèi)部管理開/關(guān)排序，而無需其他算法。它們還可以用于家庭網(wǎng)關(guān)和嵌入式設(shè)備，便攜式醫(yī)療嵌入式設(shè)備和無線嵌入式設(shè)備。
2 MHz開關(guān)頻率和快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用允許每個(gè)PMIC板使用22 μF輸出電容器和一個(gè)小電感器來減小解決方案的尺寸。PMIC采用4.7×6.3毫米，35球BGA，0.8毫米間距封裝。
兩種多相PMIC均提供瑞薩的R5調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)極快的瞬態(tài)，并可以動態(tài)改變輸出電壓以提高系統(tǒng)性能和效率。瑞薩表示，R5控制器技術(shù)是專有的調(diào)制技術(shù)，可對變化的輸出負(fù)載條件提供最快的響應(yīng)。
圖2：瑞薩R5技術(shù)的簡化圖
R5技術(shù)是其獨(dú)特的電流模式遲滯控制器的下一步發(fā)展，它具有比以前的實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更低的Iq。
圖3：R5調(diào)制技術(shù)的效率
R5調(diào)制器使用滯后窗口和在圖4中標(biāo)記為Vcr 的合成電流信號進(jìn)行操作。合成斜坡表示電感波形，而無需直接檢測電感電流。
圖4：處于瞬態(tài)狀態(tài)的R5控制器
在穩(wěn)定狀態(tài)下，以具有恒定占空比和恒定開關(guān)頻率的目的來控制窗口。與固定頻率調(diào)制方案相比，窗口的位置使環(huán)路對動態(tài)負(fù)載的反應(yīng)更好。R5調(diào)制器通過MOSFET中的電流來提高負(fù)載的效率。
同樣，R5調(diào)制器不依賴固定時(shí)鐘來設(shè)置或重置PWM脈沖。因此，它當(dāng)然可以在必要時(shí)跳過脈沖。當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，環(huán)路的開關(guān)頻率會降低，從而大大降低了開關(guān)損耗。
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