原標題：FPGA電源解決方案

基于LMZ31506電源模塊的FPGA電源解決方案深度解析

在現代電子系統中，FPGA因其可編程性、高性能計算能力和靈活性被廣泛應用于通信、工業控制、醫療設備及航空航天等領域。然而，FPGA的電源設計是系統可靠性的關鍵環節，需滿足高電流、低噪聲、高效率及緊湊尺寸等多重需求。本文將以德州儀器（TI）的LMZ31506系列電源模塊為核心，結合FPGA的供電特性，詳細闡述如何構建高效、可靠的電源解決方案。

一、FPGA電源設計需求分析

FPGA的電源需求通常包括多個電壓軌，如核心電壓（VCCINT）、I/O電壓（VCCIO）、輔助電壓（VCCAUX）等，且各電壓軌的電流需求差異較大。例如，Xilinx的Virtex UltraScale+系列FPGA核心電壓可能低至0.8V，電流需求可達數十安培；而I/O電壓可能為1.8V或3.3V，電流需求較低。因此，FPGA電源設計需滿足以下核心需求：

1. 高效率：降低功耗，減少散熱需求。

2. 低噪聲：避免電源噪聲影響FPGA的信號完整性。

3. 高電流能力：滿足FPGA瞬態負載變化。

4. 緊湊尺寸：適應高密度PCB布局。

5. 多電壓軌支持：靈活配置輸出電壓。

6. 保護功能：過流、過溫、欠壓鎖定等。

二、LMZ31506系列電源模塊核心優勢

LMZ31506系列是TI推出的高集成度電源模塊，適用于為FPGA等高性能芯片供電。其核心優勢包括：

1. 高集成度與簡化設計

LMZ31506將6A DC-DC轉換器、功率MOSFET、屏蔽電感器及無源器件集成于9mm×15mm×2.8mm的QFN封裝中，僅需3個外部組件（輸入/輸出電容、反饋電阻），顯著減少設計復雜度。

2. 寬輸入/輸出范圍

• 輸入電壓：支持4.5V至14.5V（LMZ31506H），兼容常見5V、12V電源總線。

• 輸出電壓：0.6V至5.5V可調，精度±1%，滿足FPGA核心電壓（如0.8V、0.9V）及I/O電壓（如1.8V、3.3V）需求。

3. 高效率與低熱阻

• 效率：最高達96%，降低功耗。

• 熱阻：結至環境熱阻13°C/W，支持85°C環境溫度下6A滿載輸出，無需強制風冷。

4. 靈活性與保護功能

• 可調開關頻率：480kHz至780kHz，可與外部時鐘同步，降低EMI。

• 排序與跟蹤：支持多電源軌的啟動時序控制，避免預偏置問題。

• 保護功能：過流保護（斷續模式）、過溫保護、欠壓鎖定（UVLO）。

5. 兼容性與擴展性

• 引腳兼容性：與LMZ31503/LMZ31504引腳兼容，便于設計復用。

• 電流共享：支持多模塊并聯，滿足更高電流需求。

三、基于LMZ31506的FPGA電源解決方案設計

以下以Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC為例，設計其電源樹，核心電壓需求如下：

• VCCINT：0.85V@10A

• VCCBRAM：0.85V@2A

• VCCAUX：1.8V@5A

• VCCIO：3.3V@3A

1. 核心電壓軌（0.85V@12A）設計

由于單顆LMZ31506H最大輸出電流為6A，需采用兩顆并聯。

元器件選型

• 電源模塊：LMZ31506HRUQR（4.5V-14.5V輸入，6A輸出）

• 輸入電容：100μF陶瓷電容（X7R，16V）×2

• 輸出電容：47μF陶瓷電容（X7R，6.3V）×4（每顆LMZ31506H配置）

• 反饋電阻：根據輸出電壓公式 VOUT=0.6×(1+RFBRSET)，計算得 RSET=0.41kΩ（1%精度）。

設計要點

• 電流共享：通過ISHARE引腳連接兩顆LMZ31506H，實現均流。

• 熱管理：在PCB上布置大面積銅箔作為散熱層，降低熱阻。

• EMI抑制：在輸入/輸出端增加π型濾波器（鐵氧體磁珠+電容）。

2. I/O電壓軌（1.8V@5A）設計

采用單顆LMZ31506H，輸出電壓設置為1.8V。

元器件選型

• 電源模塊：LMZ31506HRUQT

• 反饋電阻：RSET=1.8kΩ

設計要點

• 負載瞬態響應：增加輸出電容至100μF，降低電壓跌落。

• 預偏置啟動：通過SS/TR引腳配置慢啟動時間，避免啟動時電流過沖。

3. 輔助電壓軌（3.3V@3A）設計

可采用LMZ31506H或更低電流的電源模塊（如LMZ31503，3A輸出）。

元器件選型

• 電源模塊：LMZ31503RUQR（4.5V-14.5V輸入，3A輸出）

• 反饋電阻：RSET=3.9kΩ

設計要點

• 效率優化：在輕載時啟用PFM模式，提高效率。

• 輸出電壓精度：采用1%精度電阻，確保輸出電壓穩定。

四、關鍵設計參數與驗證

1. 效率與熱性能

在12V輸入、0.85V輸出、6A負載下，LMZ31506H的效率可達92%，結溫為：

TJ=TA+PLOSS×θJA

PLOSS=(12?0.85)×6×(1?0.92)=5.148W

TJ=85+5.148×13=151.924°C

（接近極限，需優化散熱）

2. 輸出電壓紋波

在20MHz帶寬下，輸出電壓紋波典型值為30mV pk-pk，滿足FPGA對電源噪聲的要求。

3. 瞬態響應

在1A/μs負載階躍下，恢復時間通常為80μs，可通過增加輸出電容進一步優化。

五、替代元器件對比與選型建議

1. LTM4644（Analog Devices）

• 優勢：四相控制器，支持40A輸出，適合超高電流需求。

• 劣勢：成本較高，設計復雜度增加。

2. TPS546C23（TI）

• 優勢：支持數字電源管理，可通過PMBus配置。

• 劣勢：需外部電感器，PCB面積較大。

3. 選型建議

• 中小電流需求（≤6A）：優先選擇LMZ31506H，性價比高，設計簡單。

• 超高電流需求（>10A）：考慮LTM4644或并聯多顆LMZ31506H。

• 需要數字管理：選擇TPS546C23，但需權衡成本與復雜度。

六、PCB布局與熱設計

1. 布局要點

• 輸入/輸出電容：靠近模塊引腳，減少寄生電感。

• 功率環路：保持高di/dt路徑最短，降低EMI。

• AGND與PGND分離：在一點連接，避免地彈噪聲。

2. 熱設計

• 散熱銅箔：在模塊下方布置大面積銅箔，增加散熱面積。

• 過孔陣列：在銅箔上增加多個過孔，連接至內層地層，降低熱阻。

• 風扇輔助散熱：在高環境溫度下，可增加風扇強制風冷。

七、測試與驗證

1. 效率測試

使用電子負載測試不同輸入/輸出電壓下的效率曲線，確保滿足設計目標。

2. 瞬態響應測試

通過示波器觀察負載階躍時的電壓跌落與恢復時間，優化輸出電容。

3. 熱測試

使用熱電偶或紅外熱像儀測量模塊表面溫度，確保結溫在安全范圍內。

八、結論

LMZ31506系列電源模塊以其高集成度、高效率及靈活的配置能力，成為FPGA電源設計的理想選擇。通過合理選型、優化布局及熱設計，可構建滿足FPGA高電流、低噪聲、高可靠性需求的電源系統。未來，隨著FPGA性能的不斷提升，電源模塊的集成度與效率將進一步優化，為電子系統的小型化與高性能化提供有力支持。