【经验】简析降压型DC/DC转换器如何严格处理FPGA电源五大问题
根据FPGA的电源要求，本文先介绍一下将ROHM推出的DC/DC转换器系列定义为“FPGA用”的原因。目前ROHM推出的DC/DC转换器IC有8种机型，是覆盖FPGA电源的电压与电流的产品阵容。单个介绍比较困难，请看产品阵容表。其中BD9A100MUV、BD9A1300MUV、BD91364AMUU是最新推出的产品。
大致分为功率晶体管内置型与外置控制器型，全部为同步整流型单通道DC/DC转换器IC。输入电压考虑到5V系统电压与12V总线输入电压，耐压为7V与15.2V，控制器为28V。功率晶体管内置型的输出电流为1A～6A，控制器的输出电流通过外置MOSFET可设置的范围较广。设想的输出电压为1.8V～1V左右，因此最低输出电压为0.8V，控制器为0.75V。即使作为通用电源使用也搭载了一般的电源良好（Power Good）、软启动及各种保护功能。
有关FPGA的电源要求事项是：1) 电源电压为多种；2) 电源时序；3) 低电压大电流；4) 电压精度要求严格（包括纹波、负载瞬态引起的变动，PCB板布线电阻引起的电压降等）；5) 低噪声。下面讲述一下DC/DC转换器系列是如何处理电源方面这些问题的。
首先，1)电源电压为多种，使1个DC/DC转换器支持各电源，可进行最适合的条件设置。关于2)电源时序，可通过软启动和外部控制进行处理。最关键的要点在于3)低电压大电流和4)电压精度的处理。5)低噪声也与此相关。
最低电压为0.8V/0.75V，已经很低了，输出电流为1A～6A，控制器可达到更高，但好像近年来通用DC/DC转换器也是相同的规格。关键是4)电压精度。DC的电压精度由内部的参考电压精度来决定，保证最大值为±1%（控制器为±1.5%），这属于最高精度级别了。也就是说，如果这是输出电压精度的全部的话，前面举例的1V±3%很轻松就可以达到。但是，作为电压精度还要加上括号中（纹波、负载瞬态引起的变动，以及PCB板布线电阻引起的电压降等）的误差。
对影响电压精度的要因——纹波和负载瞬态的处理与对电压降的处理是分开的。首先，对纹波与负载瞬态进行说明。纹波，提高对来自输出的反馈电压的响应速度，对参考电压如果将开关尽可能控制在狭小范围内，可减小误差。关于负载瞬态，负载急剧变动时，如果尽可能快速响应并使变动的电压恢复为设置值，则输出变动变小，并可在短时间内恢复。为此，该DC/DC转换器系列采用了电流模式、迟滞模式、H3Reg™模式等高速控制模式。
H3Reg是ROHM独有的高速瞬态响应控制。下面的框图表示BD95601MUV-LB的H3Reg控制环路。H3Reg是定位为“固定导通时间控制的改进版”的控制方法，使用电压比较器快速比较基准电压（参考电压）与反馈电压，并快速切换输出开关。这不必依赖开关频率即可实现快速响应。
正常工作时的波形如下。
如果FB反馈电压（为便于比较被分压的输出电压）比REF基准电压（参考）低，则通过比较器立即导通HG（高边输出功率晶体管），在右边公式算出的时间内对输出供应电流，从而使Vout上升并关闭HG。接着LG（低边输出功率晶体管）在FB＝REF成立之前导通，Vout下降。
负载电流（Io）瞬态增加时输出电压显著降低，可能会出现即使过了上述公式中的ton时间还未完全上升到设置电压的情况。当检测到这种情况时，像左边的波形那样，H3Reg延长ton时间以促进Vout的恢复，也就是提高瞬态响应速度。之后如果Vout恢复，则恢复正常工作。
其他还有很多更细致的内容，但以该H3Reg为代表的高速瞬态响应控制，是满足FPGA的低电压大电流条件下高输出电压精度等电源要求的关键要点。
PCB板布线引起的电压降有两种处理方法，一种是反馈FPGA电源引脚电压的远程感测方法，另一种是尽可能地将DC/DC转换器的输出端安装在FPGA的电源引脚端的称为“POL（Point of Load）”的方法。
该DC/DC转换器系列的基本性能当然不用说，高速瞬态响应性能非常优异，因此可以满足FPGA的电源要求。但是，在实际的设计过程中，为了充分发挥IC的性能，应该需要元器件选型及PCB板布局等方面的技术诀窍和经验积累。
这是非常重要的一点。这次采访中，我重点讲了IC的功能及性能方面的要点。但实际上是通过电源电路来应对FPGA的要求的，而这涉及到组成元器件的选型及布局等很多必须注意的内容。对此，ROHM在提供使用了该DC/DC转换器系列的参考设计的同时，也提供个別的设计支持。以下是参考设计示例。
如其名称所呈现的，FPGA是可编程器件，构成与工作各不相同，对电源的要求也不同。从这个意义上讲设计支持也是必须的。
实际上，还没提到电源的固有项目–效率。决不是说FPGA不需要高效率，FPGA是需要较大功率的设备，因此电源的最大效率还是备受期待的。该DC/DC转换器系列，基本上通过同步整流式可实现90%左右的最大效率，轻负载时具有以Deep-SLLM™ (Simple Light Load Mode)为代表的轻负载效率保持模式，在效率方面也可满足FPGA的要求。
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产品型号
|
品类
|
Grade
|
ch
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Integrated FET / Controller
|
Topology
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Synchronous / Nonsynchronous
|
Vin1 (Min.)[V]
|
Vin1 (Max.)[V]
|
Vout1 (Min.)[V]
|
Vout1 (Max.)[V]
|
Iout1 (Max.)[A]
|
SW frequency (Max.)[MHz]
|
Light Load mode
|
EN
|
PGOOD
|
Operating Temperature (Min.)[°C]
|
Operating Temperature (Max.)[°C]
|
Package
|
|
BD9E200FP4-Z
|
降压型DC-DC转换器IC
|
Standard
|
1
|
Integrated FET
|
Buck
|
Synchronous
|
4.5
|
26
|
0.7
|
20.8
|
2
|
0.5
|
Yes
|
Yes
|
No
|
-40
|
85
|
TSOT23-6L
|
选型表 - ROHM 立即选型
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服务
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授权代理品牌：集成电路
授权代理品牌：分立元件
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授权代理品牌：部件、组件及配件
授权代理品牌：电源及模块
授权代理品牌：电子材料
授权代理品牌：仪器仪表及测试配组件
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