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(多图) Stratix II FPGA系统电源设计

来源:电子元器件应用/作者:隋绍勇 冯小平?? 2007年05月08日 ?? 收藏0

  (3) 输出电容

  输出电容蓄电的变化会引起输出电压纹波,一般纹波电流小,纹波电压相应就小。实际电容的简化电路模型是由等效串联电感(ESL)、电容和等效串联电阻(ESR)构成的串联网络。由输出电容引起的电压纹波VRIPPLE的计算式如下:

电压纹波VRIPPLE计算式  
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?????? 式中,TON、TOFF为MAX1951内部MOSFET的导通和断开时间,TON为定值,TOFF最小取400 ns,所以通常用TOFF来计算VRIPPLE(ESL)。电容的串联等效电感ESL由电容生产厂家提供。常用的TAJ系列3216、3528封装的TAN电容取值1.8 nH。这样,综合上面VRIPPLE的计算式,即可估算出COUT。

  1.3 补偿电路设计

  图1中,补偿电阻R1和补偿电容C2组成的补偿环路可用来提供稳定的宽带补偿,Rl与C2的计算式如下:

?????? Rl与C2的计算式  
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??????

式中,K为高频时回路的修正参数,其值与输出电容有关,一般在10μF时取0.55,22μF时取0.47。VFB为参考电压(一般取0.8 V)。gmEA取定值60μs。Gmc定值取4.2 s。GMOD为DC调制增益,RLOAD为输出负载,上式中未知变量的计算式如下:

?????? 未知变量的计算式  
??????
?????? 式中,C为闭环增益交叉频率,一般取值小于等于1/5的开关频率。RESR一般取0.01Ω。有了以上参数,R1、C2的值便可计算得出。这样,补偿电路的设计就算完成了。

  2 基于MAX1951的机载GPS电源设计

  2.1 Stratix II FPGA内核供电电路

  下面以一种机载GPS定位导航仪器的电源系统为例,来说明MAX1951的应用电路。

  在整个系统的设计之前,要对系统中各芯片的功耗进行估算,之后进行累加,以确定系统整体供电方案。本系统为机载GPS定位导航仪,系统硬件主要由一片FPGA、一片DSP、一片ARM及其它外围接口电路构成。系统电源输入为+5.5 V,该系统要求功耗低、尺寸小。所以设计可采用电源转换效率较高的MAX1951作为电源转换。系统中的Stratix II FPGA所需电源有3.3 V和1.2 V两种,其中3.3 V用于I/O和PD,1.2 V用于内核与锁相环。

  估算Stratix II的功耗时,首先应下载ALTERA网站提供的powerplay power estimator V5.1版(可支持Stratix II,Stratix II GX及HardCopy II的早期功耗估计);然后根据所选用的Stratix II FPGA种类、封装形式及用途来计算FPGA最大功率。本设计采用F484封装的EP2S30,经估算,其内核最大电流为0.467A,I/O最大工作电流为0.07A。这样就可以根据FPGA内核的工作频率、I/O资源的利用数量、PLL资源的利用数量、内部逻辑资源的利用情况、DSP的利用等情况来精确计算芯片的功耗。

  图2所示是为该系统中Stratix II电源内核供电的原理图。

Stratix II FPGA内核电源供电原理电路

  
?????? 2.2 Stratix II FPGA的I/O端口供电电路

  因Stratix II内核供电分为锁相环模拟电源和内核数字电源两种,其中锁相环所需电源要求纯净、稳定,所以在MAX1951输出的后端可用两个磁珠对模拟和数字电源进行隔离,并对PLL模拟电路再次进行滤波,同时在FPGA器件周围放置相应数量的0.1μF的引脚滤波电容。

  Stratix II FPGA的I/O与PD的供电要求不怎么严格,所以可接成共电3.3VD,经估算,其最大工作电流为0.1A。因此,按照本文所提供的关系式可以很容易地得出其输入输出滤波网络的参数,图3所示是用MAX1951设计的Stratix II FPGA系统的I/O口供电电路。

Stratix II FPGA I/O供电电路

  
?????? 到此为止,Stratix II FPGA供电系统设计完毕。


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Stratix II? MAX1951? FPGA?

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