MPS电金宝搏188网址高手源模块为AMD Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC提供紧凑的超低噪音解决方案

杨恒，博士，高级应用工程师188比分直播吧

随着无线网络和数据中心带宽的增加，高性能FPGA和ASIC应用的数量不断增加，对功率密度高、负载瞬态响应快188比分直播吧、效率高的电源稳压器提出了要求。AMD Xilinx Zynq UltraScale+ rfsoc集成多千兆样本射频数据转换器和软决策前向纠错(SD-FEC)到SoC架构。配备ARM Cortex-A53处理子系统，UltraScale+可编程逻辑，以及Zynq UltraScale+设备中最高的信号处理带宽，这个新系列为无线、电缆接入、测试和测量、预警/雷达和其他高性能RF应用提供全面的RF信号链。188比分直播吧然而，Zynq UltraScale+ RFSoC的更高程度的集成对电源解决方案设计提出了挑战。此外，射频数据转换器的性能与其电源的噪声水平密切相关。MPS电金宝搏188网址高手源模块提供高效率的运行和最小的板空间。本应用说明概述了AMD Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC的电源解决方案设计。的EVREF0102A演示了为射频数据转换器提供超低噪声电压的参考设计电源。

Power体系结构

Zynq UltraScale+ RFSoC的电源架构如下图1．如图所示，RFSoC需要30条以上的电源轨道。PL域的电源滑道用于RFSoC, PS域的电源滑道用于嵌入式臂芯。电力轨道被合并，以尽量减少所需的转换器数量。MPS电源模块解决方案最小化PCB空间，简化电源设计。

图1。Zynq UltraScale+ RFSoC的MPS电源解决方案

根据RFSoC上运行的部件号和具体应用/程序的不同，每个轨道的当前规格可能会有所不同。表1举例说明Zynq UltraScale+ RFSoC系列每个轨道的典型当前需求。建议使用AMD Xilinx Power estimate (XPE)工具估计准确的电流需求
用于优化电源方案设计。AMD Xilinx FPGA电源导轨除电压、电流参数外，还需满足以下要求:

• 所有电源轨(模拟轨除外)稳态下输出电压纹波应小于10mV。
• 所有电力轨道的启动必须是单调的。
• 在100A/μs负载瞬变25%时，芯轨输出电压偏差(VCCINT)必须小于+- 3%。
• 电源的打开和关闭必须遵循AMD Xilinx定义的特定顺序。

*支持6V输入电压，**支持12V输入电压。点击完整的离散的解决方案．

表1。AMD Xilinx Zynq UltraScale+RFSoC的MPS电源模块解决方案

电源模块优化电源解决方案的实现金宝搏188网址高手

MPS电金宝搏188网址高手源模块提供高度集成的高效率电源解决方案。图2说明了MPS电源模块的典型结构，该模块集成了MPS专利的单片IC、电感器和选定的无源金宝搏188网址高手组件在单个模压封装中。组件使用网格连接封装技术安装在引线框架上，最大限度地减少了功率IC/电感和PCB之间的热电阻。该单片集成电路将功率场效应晶体管、控制电路和驱动器集成在一个硅片上。单片机技术使驱动电路与功率场效应管栅极之间的寄生电阻和电感降到最低。随后，开关损耗被降至最低。

表1展示了MPS电源模块解决方案AMD Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC．请注意，MPS提供了一个离散的解决方案。

图2。MPS电源模块的典型结构金宝搏188网址高手

图。3演示了AMD Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC的参考设计板(不包括RF数据转换器轨道)。参考设计板采用5个先进的电源模块。金宝搏188网址高手的MPM3695-25为16V, 20A电源模块。核心轨采用两个MPM3695-25s并联，可提供高达50A的峰值电流。一个单一的MPM3695-25为2号轨提供高达25A的峰值电流。的MPM3695-10是一个14V, 7A的超薄电源模块。的MPM3632C为18V、3A强制CCM电源模块。

图3。Zynq UltraScale+RFSoC参考设计委员会

图4。上电和下电顺序

的MPM3606A为21V, 0.6A电源模块。该系列还提供与1A、2A和3A电源模块相兼容的引脚电源模块，在电源解决方案设计中提供了金宝搏188网址高手很大的灵活性。参考设计的性能得到充分验证，满足AMD Xilinx的要求。图4显示上下电顺序波形。

先进的MPM3695系列电源模块集成了电感器，为fpga和as金宝搏188网址高手ic提供了通用的解决方案。MPM3695系列的输出电流可通过叠加多个MPM3695-25s或MPM3695-10s来扩展。MPM3695系列提供高达60%的更高的功率密度，相比于离散的负载点(POL)解决方案，简化的PCB布局和电源阶段设计，最小的外部组件，功率转换器和补偿网络设计的最小专业知识。MPM3695系列电源模块采用功率IC的单片结构和采用先进封装技术的定制集成电感设计，与竞争电源模块相比，其占地面积减少了40%。金宝搏188网址高手

图5和6分别给出了100μA/s负载瞬态25%时的负载瞬态波形和满载时的输出电压纹波。如图所示，负载暂态时输出电压偏差小于±3%，稳态时输出电压纹波小于10mV。

图5。核心轨载荷瞬态波形。

图6。核心轨输出电压纹波。

ZCU1275模拟电源模块

AMD Xilinx Ultrascale+ RFSoC嵌入了高速模拟-数字转换器(ADC)和数字-模拟转换器(DAC)，需要超低的输出噪声。与传统的LDO稳压器相比，开关电源(SMPS)具有效率高的优点。由于开关特性，SMPS在其开关频率会发出噪声
和它的谐波。MPS电源模块解决方案利用两级CLC滤波器将敏感ADC和DAC导轨的输出电压噪声降至最低。的EVREF0102A是为ZCU1275 Zynq UltraScale+ RFSoC表征套件开发的射频数据转换器电源模块。图7演示EVREF0102电源模块。

图7。EVRF0102超低噪声电源模块

所有敏感RF数据转换器导轨的输出电压噪声低于1mV。的EVREF0102A采用5个高效降压开关电源模块，集成电感。金宝搏188网址高手的MPM3833C是一个6V 3A的超小型降压电源模块，而MPM 3683 - 7为16V, 8A电源模块。两个电源模金宝搏188网址高手块都具有集成保护功能，包括OCP、OVP、UVP和OTP。与传统的LDO解决方案相比EVREF0102A可实现高达80%的效率提升。的EVREF0102A模拟电源模块还实现超低噪声，以满足AMD Xilinx高速数据转换器的规格，利用强制连续传导模式(CCM)操作和实现后无源滤波器。CLC无源滤波器用于两个最敏感的ADC和DAC导轨，电容滤波器用于电力导轨的其余部分。参考附录。

图8 - 11举例说明了传统LDO方案与MPS电源模块方案的比较。实验结果是在AMD Xilinx实验室的ZCU1275开发工具包上收集的。如图所示，MPS功率模块解决方案的噪声水平与传统的LDO解决方案相当。

结论

MPS电金宝搏188网址高手源模块为AMD Xilinx fpga提供高效率、全集成和紧凑型电源解决方案。可扩展的电源模块为核心轨提供了通用的解决方案。灵敏的射频数据转换器电源轨道用功率模块取代传统的LDO，大大提高了效率。金宝搏188网址高手MPS提供两个参考设计板，性能得到充分验证。在本应用笔记的附录中概述了用于减小射频数据转换器导轨输出电压纹波的无源滤波器的设计过程。

附录:两级过滤器设计

同步buck变换器由一个输入电容(CIN)、两个开关(S1和S2)及其体二极管、一个储能功率电感(L)和一个输出电容(COUT)组成。当S1开、S2关时，输入源向功率电感L和负载提供能量。在此期间，电感电流上升。当S2开时，S1关时，存储在电感中的能量转移到输出电容和负载，导致电感电流下降。buck调节器的开关行为会导致输出电压波动。在输出端放置输出电容COUT，以平滑稳态下的输出电压。输出电容通过为高频电压元件返回地面提供一个低阻抗路径来减少输出电压纹波。

图1:低噪声滤波器设计

我在后续的开发中，假设buck变换器工作在连续传导模式(CCM)下，以使输出电压纹波最小化。L电感的设计是为了满足电感电流纹波的要求。确定L的最小电感为:

(1）

式中VIN、VOUT分别为输入、输出电压，D=VOUT/VIN为占空比，I_(L,p-p)为电感器的峰峰纹波电流，fSW为变换器的开关频率。一般情况下，电感电流的峰值纹波选取为输出直流电流的20-40%。

选择输出电容以确保输出纹波低于规定的峰值-峰值值。对于单级容性滤波器，输出电压纹波最小可达1mV至2mV。

在稳态下，在一个开关周期内，传递给电容器的净电荷为零。电容器电荷的阴影区域在图1计算为:

（2）

式中T为一个切换周期的周期。由定义可知，电容器在给定周期内的电荷量也可以表示为:

（3）

对于式(2)、(3)，确定实现所需输出峰-峰纹波的最小电容voutp为:

（4）

理想情况下，可以通过并联更多的输出电容来提高噪声分流能力。在实际使用中，输出电容横向放置在PCB上。在PCB上增加更多的输出电容会在分流路径上引入额外的寄生电感和交流电阻，从而降低旁路开关噪声的有效性。

MPS电源模块的典型PCB布局，集成了优化的电感器，简化了电源转换器的设计，如图所示图2．在PCB的布局中MPM3833C，输出功率通道采用宽铜平面，以减少功率损耗。输出电容沿输出电流路径放置。从图中可以看出，随着输出平面上放置更多的电容，额外的电容到功率模块输出引脚的距离增加。因此，离功率模块越远的输出电容所包含的寄生电感越多。增加输出电容的效果越来越差，最终，并联回路被寄生电感所主导。

图2。MPM3833C电源模块的典型PCB布局图

为了说明回路寄生电感的影响MPM3833C用Simplis进行了仿真。假设每一个额外的输出电容引入额外的0.5nH寄生电感到旁路回路。图3说明了功率模块的输出纹波与一个22uF电容。旁路电容在输入5V，输出1.2V，负载2A时，有效地将输出纹波降低到3mV左右。

图3带一个22uF输出电容的MPM3833C输出电压纹波

为了进一步降低输出电压纹波，在输出端增加1个22uF的输出电容。由于新电容器需要放置在离功率模块较远的地方，因此新电容器所涉及的寄生电感为1nH。模拟输出电压纹波如图所示图4(a)输出电压纹波降低到2mV。与图中显示的波形相比图3，其中一个22uF的输出电容可以有效地将输出电压纹波降至3mV，额外的22uF电容则效果较差。图4(b)显示了再加一个22μF电容(总共4 × 2μ f)的输出电压纹波。最后一个22μF电容器旁路回路中寄生电感为1.5nH。如图所示，与使用3x22μF的情况相比，额外的22μF电容实现的输出纹波降低小于5%。

图4 MPM3833C带(a) 4 × 22uf输出电容和(b) 5 × 22uf输出电容的输出电压纹波

如图3和图4所示，当PCB上放置更多的输出电容时，PCB铜/迹线引入的寄生电感将占主导地位。最终，添加更多电容的好处将被附加在回路中的寄生电感所抵消。

二级过滤器设计

一般情况下，并联输出电容可以有效地将输出电压纹波降低到1mV。超过这一点，需要一个第二级输出滤波器来实现更小的输出电压纹波(可以达到低于1mV的电压纹波)。图5示出了级联到第一级输出电容的第二级LC滤波器。第二级滤波器由一个滤波器电感及其串联电阻DCR、旁路电容支路和阻尼支路组成。LC滤波器的工作原理是对输出产生高阻抗。滤波电感Lf在预期的高频率范围内是电阻的，并以热量的形式耗散噪声能量。该电感器与附加并联电容器结合形成低通LC滤波网络。

图5。并联阻尼分支的二级LC滤波器

在合理设计的情况下，二级滤波器可以有效地降低输出电压噪声。第二级LC滤波器的元件尺寸对于确定目标频段至关重要。设计过程的第一步是根据式(4)选择第一级输出电容。第一级设计输出电压纹波典型为5mV ~ 10mV。通常10-22uF电容就足够了。为了保证系统的稳定性，第一级的电容COUT必须小于第二级的旁路电容C1。

一旦确定第一级电容COUT，给定给定频率下指定的输出电压纹波，则可以确定第二级LC滤波器所需的衰减为:

（5）

式中V1、p-p表示输出电容的峰-峰电压纹波，V0、p-p表示输出的峰-峰电压(经过第二级滤波后)。通过相量分析，确定LC滤波器增益的幅值为:

(6）

注意阻尼支路的阻抗，它由一个大的串联电阻组成，在开关频率比旁路支路大得多。因此，过滤器显示在图5近似为二阶RLC滤波器。滤波器的截止频率确定为:

(7）

通常，可以选择电感为0.22μH至1μH的电感来实现所需的输出纹波。电感应选择DCR最小的电感，因为电阻严重增加了功率损耗，降低了输出电压的调节。需要注意的是，随着直流电流的增大，电感的铁芯材料趋于饱和，导致电感的电感量减小。应注意确保在额定直流电流下电感足够高。

一旦选择了滤波电感器，就可以从数据表中提取其DCR。第二级LC滤波器是一个二阶滤波器，在截止频率后每10年滚动输出40db。在给定频率处的衰减可以估计为:

（8）

利用式(5)计算的衰减量，可确定所需截止频率为:

（9)

进而确定所需旁路电容C1为:

（10）

对于低ESR和ESL的旁路电容器应选用陶瓷电容器。值得注意的是，陶瓷电容器的电容在直流偏置电压下会显著下降。图6图示了村田0805陶瓷电容器的直流降额曲线，该电容器的额定电压为6.3V。如图所示，在额定直流偏置电压满时，电容降至标称值的20%。旁路电容应选择在标称直流偏置电压，以考虑降额。

图6。典型陶瓷电容器直流偏置支路降额曲线

阻尼

如果没有适当地阻尼，第二级LC滤波器可能会引入共振峰值。滤波电感和旁路电容之间的谐振可能会放大输出纹波，并在负载瞬态时产生不必要的振铃。图7(一)图中显示了带二级LC滤波器的欠阻尼变换器系统的输出电压。最初，系统在稳态下运行。当t=200μS时，启动从1A到2A的负载瞬态，导致输出电压响。图7 (b)说明了过阻尼二级滤波器在负载瞬态下的输出电压和电流。为了避免负载瞬态时出现不必要的振铃现象，必须对第二级LC滤波器谐振进行适当的阻尼。在大多数设计中，第二级滤波器将放置在控制回路之外，以避免控制稳定性问题。因此，阻尼必须通过被动元件(附加阻尼电阻)来实现。

图7。(a)欠阻尼LC滤波器和(b)过阻尼LC滤波器的阶跃响应

滤波电感通常包括一个与该电感串联的寄生直流电阻。这种DCR为网络提供阻尼。然而，要为串联RLC电路提供足够的阻尼，串联电阻必须满足在大多数情况下，单靠DCR不能提供足够的阻尼。为此，一个RC阻尼网络与旁路电容并联插入，与串联DCR电阻一起阻尼谐振电路。

议员- xilinx篇- q1 - 2019 -_1.pdf

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