基于混合電壓FPGA系統(tǒng)的電源管理控制器設(shè)計(jì)

在當(dāng)今數(shù)字化飛速發(fā)展的時(shí)代，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）憑借其快速原型開發(fā)和數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，成為了眾多電子工程師的首選。然而，隨著FPGA功能的不斷增強(qiáng)，其對(duì)電源管理系統(tǒng)的要求也日益提高。Intersil推出的ISL6521控制器，正是為滿足混合電壓FPGA的電源需求而設(shè)計(jì)的一款優(yōu)秀產(chǎn)品。今天，我們就來深入探討一下這款控制器及其評(píng)估板ISL6521EVAL1的相關(guān)特性。

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一、ISL6521控制器概述

ISL6521是一款功能強(qiáng)大的電源管理控制器，它能夠調(diào)節(jié)四個(gè)輸出電壓，并提供簡(jiǎn)單的保護(hù)功能。其采用PWM控制器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)外部N溝道MOSFET，以同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為FPGA的內(nèi)部核心邏輯（VCCINT）供電。同時(shí)，集成的線性控制器可直接驅(qū)動(dòng)高達(dá)120mA的電流，若搭配外部NPN傳輸晶體管，電流驅(qū)動(dòng)能力可提升至3A，主要為I/O銀行（ ( V_{CCO}) ）、輸入緩沖參考電壓（VREF）和輔助邏輯（VCCAUX）供電。

ISL6521具備集成的高帶寬誤差放大器和精確的內(nèi)部電壓參考，能夠確保在不同的線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)±2%的靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)公差。此外，它還擁有開關(guān)轉(zhuǎn)換器的過流保護(hù)和線性控制器的簡(jiǎn)單欠壓保護(hù)功能，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。

二、ISL6521EVAL1評(píng)估板

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 快速啟動(dòng)評(píng)估

在進(jìn)行評(píng)估時(shí)，首先需要進(jìn)行電路設(shè)置。將一個(gè)+5V的臺(tái)式電源連接到靠近Intersil標(biāo)志的+5V和GND端子上。每個(gè)輸出都有類似的標(biāo)記為VOUTx和GND的端子對(duì)，可以通過連接電阻性或電子負(fù)載來測(cè)試每個(gè)輸出。連接好外部電源和負(fù)載后，給+5V電源通電。此時(shí)，發(fā)光二極管D2應(yīng)亮起紅色，表示電源已成功施加到評(píng)估板上。如果D2未變紅，則需要關(guān)閉電源并檢查所有外部連接。

2.3 性能表現(xiàn)

軟啟動(dòng)過程

當(dāng)施加到PWM控制器的偏置電壓達(dá)到上升的電源復(fù)位（POR）閾值時(shí)，ISL6521會(huì)啟動(dòng)軟啟動(dòng)間隔。在經(jīng)過短暫延遲后，四個(gè)輸出開始向由外部電阻分壓器設(shè)置到FB引腳的輸出電平斜坡上升。這個(gè)過程緩慢地對(duì)每個(gè)輸出的輸出電容進(jìn)行充電，從而減輕了從偏置電源汲取的初始電流。軟啟動(dòng)間隔持續(xù)約3ms，直到所有四個(gè)輸出達(dá)到其編程的輸出電平。

輸出電壓紋波

評(píng)估平臺(tái)設(shè)計(jì)滿足20mV的核心電壓紋波規(guī)格。在室溫條件和輕負(fù)載下，輸出電壓紋波測(cè)量值小于18mV。若需要調(diào)整輸出電壓紋波，可以參考“適應(yīng)電路性能”部分的內(nèi)容。

保護(hù)功能

ISL6521的PWM控制器具備過流保護(hù)功能，它通過監(jiān)測(cè)上MOSFET的導(dǎo)通電阻（ (DS(on)) ）來監(jiān)控通過設(shè)備的電流，并將其與外部設(shè)置的過流跳閘點(diǎn)進(jìn)行比較。當(dāng)超過過流跳閘水平時(shí)，PWM控制器會(huì)移除對(duì)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)，并進(jìn)入相當(dāng)于三個(gè)軟啟動(dòng)間隔的等待期。如果過流條件仍然存在，控制器將再次跳閘。

線性控制器則具有欠壓保護(hù)功能，同時(shí)也提供過流保護(hù)。當(dāng)線性輸出出現(xiàn)低阻抗短路時(shí)，輸出電壓會(huì)下降。當(dāng)輸出電壓降至輸出電壓設(shè)定點(diǎn)的70%以下時(shí)，線性控制器將關(guān)閉，并進(jìn)入等待期。若欠壓條件仍然存在，線性控制器將在軟啟動(dòng)期間關(guān)閉。

瞬態(tài)響應(yīng)

FPGA的瞬態(tài)規(guī)格因整體門使用情況而異。ISL6521EVAL1設(shè)計(jì)滿足5A負(fù)載階躍和2.5A/ μs的轉(zhuǎn)換速率要求。在瞬態(tài)過程中，F(xiàn)PGA核心電壓（VOUT1）不得超過+1.5V的±50mV。評(píng)估板的前沿瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于30 μs，后沿瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于20 μs。不過，要實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，需要降低輸出電感，但這會(huì)導(dǎo)致效率下降。

效率

在室溫且無氣流的熱平衡條件下，對(duì)ISL6521EVAL1評(píng)估板從1A到6A的負(fù)載進(jìn)行測(cè)量。PWM轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)至少80%的效率。通過對(duì)輸出電感和/或雙N溝道MOSFET進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，可以提高效率。

三、適應(yīng)電路性能

3.1 元件替換

評(píng)估板支持使用表面貼裝和通孔設(shè)備，這為評(píng)估過程提供了靈活性。在僅使用表面貼裝的應(yīng)用或有高度限制的設(shè)計(jì)中，可以用具有相似ESR特性的表面貼裝電容器替換鋁電解大容量輸出電容器，以實(shí)現(xiàn)類似的性能。例如，Sanyo SVPC系列或Panasonic SP系列電容器提供了不同價(jià)格點(diǎn)的表面貼裝選項(xiàng)。

3.2 線性組合

ISL6521的線性控制器可以單獨(dú)使用，每個(gè)提供120mA的電流，也可以驅(qū)動(dòng)外部傳輸設(shè)備以實(shí)現(xiàn)高達(dá)3A的電流。兩個(gè)線性控制器可以組合在一起創(chuàng)建一個(gè)240mA的調(diào)節(jié)器，或者將三個(gè)線性控制器連接在一起以提供360mA的電流。在進(jìn)行線性組合時(shí)，需要移除外部傳輸設(shè)備Q2和Q3，并使用電阻選項(xiàng)將每個(gè)線性的輸出平面短路，同時(shí)確保每個(gè)線性的反饋電阻對(duì)匹配，以提供正確的電壓反饋。

四、布局考慮

在高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，元件布局和走線設(shè)計(jì)非常重要。由于功率設(shè)備在300kHz的頻率下高效開關(guān)，電流在不同設(shè)備之間的轉(zhuǎn)換會(huì)在互連阻抗和寄生電路元件上產(chǎn)生電壓尖峰。這些電壓尖峰可能會(huì)降低效率、輻射噪聲并導(dǎo)致設(shè)備過壓應(yīng)力。因此，需要仔細(xì)進(jìn)行元件布局和印刷電路板設(shè)計(jì)，以最小化這些電壓尖峰。

4.1 元件放置

首先，應(yīng)將開關(guān)元件靠近ISL6521放置。盡量縮短輸入電容器C4和C5與功率開關(guān)Q1之間的連接長(zhǎng)度，并將陶瓷和大容量輸入電容器盡可能靠近上MOSFET的漏極放置。將輸出電感和輸出電容器放置在上、下MOSFET與負(fù)載之間。

對(duì)于關(guān)鍵的小信號(hào)元件，如旁路電容器、反饋元件和補(bǔ)償元件，應(yīng)將PWM轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償元件靠近FB和COMP引腳放置，反饋電阻應(yīng)盡可能靠近FB引腳，并根據(jù)需要將過孔直接連接到接地平面。

4.2 走線路由和互連

從PHASE端子到輸出電感的走線應(yīng)短而寬。如果有電源平面層，應(yīng)使用它來支持輸入電源和輸出電源節(jié)點(diǎn)，并在相節(jié)點(diǎn)層使用銅填充多邊形。從UGATE和LGATE引腳到MOSFET柵極的走線也應(yīng)短而寬，以輕松處理1A的驅(qū)動(dòng)電流。

為了散發(fā)內(nèi)部線性和PWM驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的熱量，應(yīng)通過至少四個(gè)過孔將接地焊盤（引腳5和9）連接到接地平面，以實(shí)現(xiàn)低阻抗路徑。

總結(jié)

ISL6521EVAL1是一款適應(yīng)性強(qiáng)的評(píng)估工具，它充分展示了ISL6521CB的性能。該評(píng)估板不僅滿足當(dāng)前FPGA應(yīng)用的性能要求，還為用戶在未來設(shè)計(jì)中提供了靈活的配置選項(xiàng)。通過本文的介紹，相信大家對(duì)ISL6521控制器及其評(píng)估板有了更深入的了解。在實(shí)際應(yīng)用中，大家可以根據(jù)具體需求對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能表現(xiàn)。你在使用類似電源管理控制器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。