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符合FPGA嚴格電源要求的FPGA用降壓DC/DC轉換器系列

為了符合FPGA的電源要求

符合FPGA嚴格的電源要求
FPGA用降壓DC/DC轉換器系列 -之2-

Keyword
  • 低電壓
  • 大電流
  • 電壓精度
  • 漣波電流
  • 負載暫態響應
  • H3Reg
  • 參照設計
  • 效率

- 您剛才說明了FPGA的電源要求,接下來想向您請教這次將DC/DC轉換器系統,設定為「FPGA用」的理由是什麼呢?一開始可否麻煩您說明全系列產品有哪幾種DC/DC轉換器?

現階段有8種,全產品一覽都可以涵蓋FPGA電源的電壓和電流。個別說明有些難度,因此準備了下方的產品一覽表。

大致上可以分成內建功率電晶體型和外接控制器型,兩種類型全部都是同步整流型的1ch。輸入電壓預設來自於系統電壓的5V和12V匯流排,耐壓為7V和15.2V,控制器則是28V。輸出電流方面,內建功率電晶體型為1A~6A,控制器型的輸出電流則是依外接MOSFET而能夠大範圍設定。輸出電壓預設1.8V~1V左右,因此最低輸出電壓為0.8V、控制器能對應0.75V。即使用通用型用電源,也可以配備一般的電源輸出良好通知(Power Good)、緩開機(soft start)、各種保護功能。

- 您先前彙整的FPGA電源相對要求事項有1) 多個電源電壓、2) 電源順序、3) 低電壓大電流、4) 電壓精度準確(包括漣波電流、負載暫態響應造成的變動,以及機板配線電阻造成的電壓下降等)、5) 低雜訊。這幾項都是在電源上會遇到的課題,但此次的DC/DC轉換器系列又是如何對應上述幾項呢?

首先,1) 多個電源電壓可以用各個電源對應1個DC/DC轉換器,設定出最佳的條件。2) 電源順序能以緩開機和外部控制加以對應。最重要的就是3) 低電壓大電流和4) 對應電壓精度。5) 低雜訊也和它有關。

- 聽完您的說明和看過產品一覽表格後,了解到最低電壓不高,只有0.8V/0.75V,輸出電流從1A至6A,控制器則是能夠超過這個範圍,但我認為近年來的通用型DC/DC轉換器規格其實是一樣的。

重點在於4) 電壓精度。DC的電壓精度由內部的參照電壓精度決定,保證最大值±1%(控制器為±1.5%),而這已經達到最高精度水平了。也就是說,輸出電壓精度如果全數達到此程度,將能夠輕鬆達成剛才舉例的1V±3%。但是,若發生括弧內註明的漣波電流、負載暫態響應造成的變動,以及機板配線電阻造成的電壓下降等,電壓精度就必須追加計算這些因素造成的誤差。

- 那麼,要如何處理這些追加計算的部分呢?

影響電壓精度的因素中,漣波電流和負載暫態的處理方式,和電壓下降的處理方式不一樣。先來說明漣波電流和負載暫態。漣波電流是將對來自於輸出的回授電壓的響應高速化,對於參照電壓,如果能儘量在狹小範圍內控制開關的話,就能夠縮小漣波電流。就是負載暫態,當負載急遽變動時,如果能儘快響應,讓變動的電壓回到設定值,即能在短時間緩和輸出變動。因此,本DC/DC轉換器系列不論是電流模式、遲滯模式、H3Reg™模式,都是採用高速控制模式。

- 大家都知道電流模式和遲滯模式是基本控制方式,而H3Reg™是什麼樣的模式呢?

H3Reg™是ROHM獨家研發的高速暫態響應控制方式。下方的方塊圖為BD95601MUV-LB的H3Reg™控制迴圈。H3Reg™是定位為固定準時控制進化版的控制方法,利用電壓比較儀,高速比較基準電壓(參照)和回授電壓後,再高速開關輸出開關。這樣一不,不必依存於開關頻率,就能夠實現高速響應了。

一般動作時的波形如下。

FB回授電壓(為了比較而分壓出來的輸出電壓)一但比REF基準電壓(參照)還要低,就會透過比較儀,立即打開HG(高側輸出功率電晶體),等到在經由右側公式決定的時間內,供應電流予輸出端,提高Vout才會斷路。接著,LG(低側輸出功率電晶體)會打開直到FB=REF,讓Vout下降。

負載電流(Io)暫態增加的時,輸出電壓會變大、降低,即使已經過了上述公式的ton時間,也可能無法完全上升至設定的電壓值。一但檢測到此狀況,就會如同左側的波形般,H3Reg™延長ton時間,促使Vout復原。亦即加快暫態響應。之後,待Vout復原再回到一般動作狀態。

其他還有一些小細節,例如以H3Reg™為代表的高速暫態響應控制,是在FPGA的低電壓大電流之下,符合高精準輸出電壓精度此一電源要求的重要關鍵。

- 電壓精度還有一個課題,那就是如何解決機板配線造成電壓下降的問題呢?

這部分有回授FPGA電源端子電壓的遙感方法,和儘可能將DC/DC轉換器的輸出端,安裝在FPGA電源端子處的POL(Point of Load)方法。

- 此次的DC/DC轉換器系列除了基本性能外,還擁有極為優秀的高速暫態響應性能,能夠充分對應FPGA的電源要求。只是,在實際進行設計時,設定人員是否必須具備足夠的專業知識,才能夠選出充分發揮IC性能的零件和機板配置呢?

這是非常重要的一點。在此次的訪問中,談話過程都集中在IC功能和性能方面有哪些重點。但是,事實上若電源電路要對應FPGA的要求,就必須進一步注意如何選擇構成零件和機板配置。對於此一問題,ROHM除了使用本款DC/DC轉換器系列,提供參照設計外,亦個別支援人員進行設計。以下是參照設計的範例。

- 如果有這樣的樣本和支援,不啻乎為設計人員打了一劑強心針呢。

FPGA如其名,屬於可程式化元件,各個的構造和動作都不一樣,對電源的要求也不同。這意謂著我們必須提供設計方面的支援才行。

- 最後還有什麼想補充的嗎?

我們一直沒有提到電源附加配件的效率。並不是說FPGA不需要高效率,由於它是功率需求較大的元件,因此期待電源能夠有最大的效率。此次的DC/DC轉換器系列,基本上利用同步整流的方式,最大效率可達到90%左右,輕負載時進入Deep-SLLM™(Simple Light Load Mode)為代表的輕負載效率維持模式,是效率能夠滿足FPGA要求的規格。

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