多相 DCDC 转换器为 FPGA 电源设计提供低纹波集成解决方案

多年来，多相 DC/DC 转换器为服务器、手机、平板电脑和 PC 中的多核处理器供电。今天的现代现场可编程门阵列 (FPGA) 现在集成了多核处理器，例如具有ARM双核 Cortex-A9 处理器的Xilinx Zynq-7000 系列。随着多核处理器扩展到 FPGA、工业和汽车应用，多相 DC/DC 转换器的使用继续增长，因为它能够满足尺寸和热限制。

多相转换器在为多种应用中的多核处理器和 FPGA 供电方面具有许多优势，因为它们具有降低的功率损耗、低输出纹波和快速的瞬态响应。为了更好地理解这些优势，让我们回顾一下 Xilinx® Zynq®7000 系列 5W 小型、高效、低噪声电源解决方案参考设计 (TIDA-00574)，它演示了LP8758-B0如何多相转换器可为具有有效排序的工业设计提供低纹波、紧凑型解决方案尺寸的 FPGA 电源解决方案（参见图 1）。

LP8758专为满足最新应用处理器的电源管理要求而设计，这些应用处理器适用于手机和类似便携式应用。该器件包含4个降压直流/直流转换器内核，它们一起捆绑在单个四相降压转换器中。该器件通过I²C兼容串行接口进行控制。
自动PWM-PFM(AUTO模式)操作搭配自动相位增加/减少操作，可在较宽输出电流范围内以最大限度提高效率。LP8758支持远程差分电压感测，可补偿稳压器输出与负载点之间的IR压降(IR drop)，从而提高输出电压的精度。
LP8758支持可编程启动和关断延迟与使能信号同步。
该器件的保护功能包括短路保护、电流限制、输入电源欠压锁定(UVLO)以及过热警告和关断功能。该器件还具有一些错误标志，用于提供自身的状态信息。此外，LP8758器件无需添加外部电流感测电阻即可支持负载电流测量。在器件启动和电压变化期间，器件会对转换率加以控制，以便最大限度减少输出电压过冲和浪涌电流。

该参考设计通过提供满足多个 5W Zynq FPGA 功率要求的经过验证的设计和布局，有助于改进工程师的设计周期。选择最小的组件以最大限度地减少使用的电路板空间，同时仍提供为 FPGA 供电轨供电所需的性能。

图 1：Xilinx Zynq 5W 小解决方案尺寸电源设计

在本设计中，3A 降压转换器模块LMZ31503支持从 12V 中间轨进行转换，同时在负载范围内提供小尺寸、2.8mm 高度和良好效率。LMZ31503模块具有集成电感器和只有一个输入和输出电容器。LP8758 -B0配置为允许多个输出轨来支持 Zynq 的电源要求。对于这款 FPGA 的最低电源轨，该设计使用微型LP5907低压差稳压器 (LDO)，采用市场上最小的 0.65mm x 0.65mm 封装，具有用于对电源轨进行排序的使能引脚。

LP8758-B0的高开关频率 允许使用 2010 或 2016 尺寸、1mm 高度的电感器实现约 67mm² 的整体解决方案尺寸。这种紧凑的设计允许负载点电容器放置在非常靠近 FPGA 电源引脚的位置，以满足小于 30m 的所需电源纹波（参见表 1）。LP8758 评估模块 (EVM) 还可以选择添加多个负载点电容器以优化瞬态性能。

表 1. Xilinx XC7Z015 收发器电压电源要求。

多输出LP8758-B0提供集成 FET、低物料清单并因其效率而具有有效的热性能，如图 2 所示。LP8758-B0能够使用多个 EN 输入进行排序，这意味着外部排序器如不需要LM3880 。在最大功耗下，LP8758 的最高温度仅为 49°C。由于能够保持低温，TIDA-00574设计将是稳健的，并为空间受限应用中的 FPGA 供电提供可靠性。

图 2：请参阅LMZ31503效率、LP8758效率曲线图，用于 2.5V、1.8V、1.2V、1.0V 输出在不同负载电流、布局面积和设计热图像上

该设计只是使用多相 DC/DC 转换器提供低纹波、快速瞬态和紧凑的电路板空间来为 FPGA 或处理器供电的众多方法之一。