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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

FPGA的電源要求有哪些?

符合FPGA嚴格的電源要求
FPGA用降壓DC/DC轉換器系列 -之1-

Keyword
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  • 多種
  • 時序
  • 低電壓
  • 大電流
  • 電壓精度
  • 漣波
  • 負載暫態
  • 電壓下降
  • 低雜訊

ROHM研發出多種DC/DC轉換器IC,也提供了適合作為FPGA電源使用的產品陣容。本文提到的8款產品,能滿足FPGA必要的電源規格,同時也提供參考設計。接下來向ROHM應用工程師柴戶 孝信詢問該款FPGA用降壓DC/DC轉換器系列的性能和特徵。

-FPGA用降壓DC/DC轉換器IC一開始就鎖定為「FPGA用」,是因為它是具有什麼特別功能的IC嗎?

基本上,它是通用的降壓DC/DC轉換器IC,但請將該系列視為性能和特性能夠符合FPGA電源規格。例如,輸出能供應1.5V/1A的DC/DC轉換器種類繁多,但並非所有的DC/DC轉換器都適合作為FPGA的電源。

-這樣的話,在討論DC/DC轉換器之前,要麻煩您先說明FPGA對電源的要求有哪些。

的確是。我想這樣的話,應該可以更容易了解本文DC/DC轉換器系列作為FPGA用的理由吧。說到FPGA,生產它的製造商很多,功能和構造也形形色色。我希望大家記住的,是在多功能和高性能等級上,達到中等以上的FPGA。例如Xilinx公司的7個系列、Altera公司的Stratix等。

首先,它的最大特徵為電源電壓分成核心用和I/O用、各功能方塊圖用等5種左右,所以必須要有更多種的電源。然後,要求電源啟動時間和依照時序的循序功能。近年來要求似乎較為寬鬆,但若未遵照其要求事項,可能會無法正常工作、損壞。

其次,要說明FPGA的製程細微化,隨著日趨細微化,出現例如將稱為核心電壓的電源電壓,低電壓化至1V左右,結果電源電流相反地變大的現象。其他電源電壓為1.8V和2.5V等,幾乎都是低於3.3V的低電壓構造。

-電源的低電壓大電流化是以CPU的角度來說,可以將它視為相同嗎?

基本上可以將它視為相同。但是電源種類一直都是FPGA較多。

-還有其他要說明的嗎?

除了多電源低電壓大電流外,還有電壓精度嚴格的傾向。例如核心電壓達到1V±3%。

-±3%這麼嚴格嗎? 俗稱系統電壓的5V/3.3V是以±5%為標準吧?

以±3%為例,考量到實際的誤差,1V的±3%為±30mV。3.3V的±3%當然就是±99mV,但電壓變低時,誤差的絕對電壓會變小。開關電源在輸出電壓上存在著漣波電壓。輸出漣波電壓為輸出漣波電流乘上輸出電容ESR後所產生的電壓,和輸出電壓無關,且和漣波電流的大小成正比。輸出電壓精度包含漣波電壓在內,所以在低電壓大電流此條件下,一但漣波電壓變大,將難以維持誤差準度。

還有其他會影響輸出電壓精度的因素。負載暫態,也就是輸出電流急遽變動,造成輸出電壓跟著猛烈變動。FPGA的負載大幅度變動。尤其是從待機狀態切換到啟動時的負載變動非常大。

還有其他項目要說明一下。負載電流(電源的輸出電流)變大時,機板配線電阻會造成電壓大幅度下降,相對於電源輸出端子的電壓來說,FPGA電源端子的電壓變小。這不是電源性能造成的,但從供應必要電壓給負載元件的觀點來看,仍然要從電源這邊著手解決。

最後,低雜訊也非常重要。以低電壓在數百MHz頻寬中工作和通訊。電源雜訊會導致S/N劣化,同時也是無法正常工作的原因之一。

-FPGA的電源有許多必須考量的地方呢。可以請您匯整一下重點嗎?

FPGA電源相關要求事項,主要有1) 多個電源電壓、2) 電源循序功能、3) 低電壓大電流、4) 電壓精度穩固(包含漣波、負載暫態造成的變動、機板配線電阻造成的電壓下降等)、5) 低雜訊。當然,各個要求事項能再進一步細分。

-這樣的話,如果說FPGA的電源能做到這幾點,那就可以將它們設定為條件呢。

沒錯。電源須「達到低電壓大電流且高電壓精度、低雜訊」,但坦白說,這真的是一個相當嚴格的課題。

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