为FPGA 和处理器选择合适的 LDO 电压精度

无论是射飞镖还是击打高尔夫球，准确性都很重要。电源也是如此——在为 ASIC、FPGA 或任何高端处理器供电时尤其如此。简而言之，FPGA 和处理器的电源电压范围正变得越来越窄。

图 1 是一个示例 FPGA 数据表。对于特定型号，两个电源轨 V CCINT和 V CCBRAM的电源电压范围为 0.95V ±30mV。这仅略高于 ±3% 的容差。更糟糕的是，当引入电压监控和/或保护时，这个电压范围会缩小。因此，现在可能要求电源准确度为 1% 或更高，以避免误跳闸。

图 1：示例 FPGA 的推荐工作条件

这种有限的范围需要相应精确的电源设计。尽管开关模式电源是为这些负载供电的典型选择，但最近的进步也使低压差线性稳压器 (LDO) 成为有吸引力的选择。TI 最近发布的 TPS7A84 和 TPS7A85 是 3A 和 4A LDO，它们结合了高电源抑制比 (PSRR)、低压差和宽输入电压范围，使其成为最大限度降低电压纹波的理想选择。在本次讨论中，正是这些 LDO 的准确性使其成为为 FPGA 和处理器供电的引人注目的解决方案。在这篇文章中，我将说明如何驾驭电压轨精度的细微差别，以及性能 LDO 如何满足严格的精度要求，同时最大限度地减小总解决方案尺寸和输出电容。

直流精度

为了在为特定 FPGA 或处理器指定的电源容差内生成电压轨，我们必须同时考虑稳压器的直流和交流输出精度。在这两者中，通常更容易近似 DC 精度。控制直流精度的主要因素有：

· 温度的变化。

· 输入电压的变化。

· 负载电流的变化。

· 外部电阻分压器容差。

幸运的是，这些变化对精度的影响（外部电阻分压器容差除外）通常在给定稳压器数据表的电气特性表中指定。以 TPS7A85 数据表为例。如图 2 所示，当考虑负载电流、输入电压和温度的变化时，输出电压精度规定为最大 1%。（实际上，在某些条件下，输出精度甚至能够达到 0.75% 的最大精度.) 以这种方式描述准确性可以让我们了解最坏的情况。

图 2：TPS7A85 的输出电压精度

当然，我们可以独立检查这些各种因素与输出精度之间的关系。电气特性表和典型特性曲线显示了线路和负载调节的各个规格和图表。查阅这些部分可以更好地了解一组特定条件将如何影响应用中的输出精度。

外部电阻器和 ANY-OUT ™操作

尽管数据表精度规格未包含外部电阻分压器容差，但它们仍会显着影响精度。我们可以通过选择更严格的容差电阻器（0.1% 或更小）或选择固定输出稳压器（具有工厂调整的内部反馈电阻器）来最大限度地减少这种不准确的影响。

然而，有一种方法可以在保持可调节性的同时消除与外部电阻相关的损害精度。ANY-OUT 操作允许我们通过将 ANY-OUT 引脚的特定组合接地来设置所需的输出电压。图 3 显示了此操作的示例，其中通过将 100mV、800mV 和 1.6V 引脚接地，将 TPS7A85 编程为输出 3.3V。

图 3：使用 TPS7A85 的 ANY-OUT 引脚将输出编程为 3.3V

将这些引脚的值与参考电压 (0.8V) 相加得出总和为 3.3V：

ANY-OUT 操作的好处是它允许我们调整输出电压，而不会因外部电阻器而导致不准确。换句话说，无论我们如何对输出电压进行编程，1% 的精度都是最坏的情况。事实上，我们可以通过 ANY-OUT 引脚动态调整输出电压。有关此主题的更多信息，请参阅应用报告“由 I 2 C IO 扩展器设备控制的 ANY-OUT™ 低压差稳压器”。

交流精度

AC 精度在确定整体输出精度方面也起着重要作用。与 DC 规范一样，许多 FPGA 和处理器数据表还规定了在幅度和持续时间方面与正常电源范围的最大可容忍瞬态偏差。LDO 输入电压或负载电流的动态变化会导致输出电压在内部环路稳定之前振铃。这种振铃的幅度和长度取决于多种因素，包括内部拓扑、输入电容、输出电容和压摆率。

负载瞬态响应通常比线路瞬态更明显，尤其是在提供 3A 或更多电流时。因此，TPS7A85 数据表详细介绍了各种条件下的负载瞬态响应。图 4 显示了负载瞬态响应与输出电容的关系。

图 4：负载瞬态响应与输出电容

如图 4 所示，增加输出电容有助于抑制振铃幅度，这是防止输出偏离给定 FPGA 或处理器允许的电源电压范围所必需的。当然，增加大容量输出电容也会占用印刷电路板 (PCB) 上令人梦寐以求的空间。TPS7A84 和 TPS7A85 通过具有可快速响应动态负载变化的宽带宽控制环路来缓解这一困境。因此，我们可以使用较小的输出电容来静音振铃。结果是解决方案尺寸更加紧凑——毕竟，TPS7A85 只有 3.5mm x 3.5mm。

把它们放在一起

要满足 FPGA 和处理器的严格电源电压要求，我们需要同时考虑 DC 和 AC 条件。高性能 LDO 能够在各种条件下保持 1% 或更高的直流精度。这些 LDO 还具有抑制与快速负载变化相关的振铃所需的出色瞬态响应。通过将这两个优势与过滤开关噪声的能力相结合，TPS7A84 和 TPS7A85 代表了两种解决方案，可以让我们在构建电源方案时高枕无忧。