【应用】集成FET的降压型DC/DC转换器ISL8002B，高效实现对FPGA电压轨的跟踪和排序
引言
电压输入轨为DSP、ASIC、FPGA和微处理器提供了负载点电源，但是随着应用中电压轨的增加，给电源设计人员带来了更多挑战。特别是随着对系统功率和工作频率需求的不断增长，导致了基础设施、工业和工厂自动化设备对噪声和一些不可预见事件更加敏感。例如，启动时错误输入导致的系统闭锁，可靠性问题甚至是系统故障等事件。
本文讨论如何为FPGA或微处理器配置各种电压输出跟踪和排序选项，以便能够正确启动和关闭敏感的多轨系统。还将介绍如何实现比例和重合跟踪配置，以防止FPGA内部静电放电（ESD）二极管在上升或下降输出期间偏置或过载。这些配置将提高系统可靠性，这对基础设施系统和工厂工业设备的生产率和正常运行时间至关重要。
系统配置
FPGA的典型应用电路配置如图1所示。从3.3V的最高输入电压轨到2.5V的第二输入电压轨，我们发现背对背ESD二极管可用作内部保护电路。 然后从第二输入轨到第三轨配置另一组背对背ESD二极管。
图1 FPGA输入电路框图
我们假设一种情况，其中最高输入电压轨（在本例中为3.3V）在任何其他电压轨之前首先启动。然后，它将2.5V输出轨预偏置至约1.9V，将1.8V轨预偏置至1.2V。同样，如果1.8V电源轨首先启动，则它将预先偏置2.5V和3.3V电源轨。无论哪种情况，ESD二极管都必须在启动期间进行操作。图2显示了3.3V输入轨的电压信号以及它在激活之前发送到2.5V电源轨的信号。流过ESD二极管的充电电流取决于启动转换速率，2.5V输出电容以及任何负载。使用1.8V输出轨运行相同的启动方案将显示类似的电压信号。
图2 3.3V电源轨的启动波形和对2.5V电源轨采取预偏置
每次ESD二极管导通时，其可靠性都会降低。图3显示了当2.5V输入源不适用于预偏置启动时，3.3V和2.5V电压轨会发生什么情况。如图所示，2.5V电源启动时，FPGA的内部ESD二极管会受到压力。因此，使用具有预偏置启动的电源可避免此问题，并消除系统闭锁的可能性。具有正确配置的输出电源跟踪的降压型稳压器将确保您的所有系统电源轨正确软启动并防止ESD二极管导通，这一简单步骤将提高系统可靠性并避免任何不可预见的系统电源闭锁。
图3 3.3V和2.5V电源轨的启动波形
图4所示为用于2.7V至5.5V输入电压范围的2A DC/DC转换器ISL8002B的典型应用电路。仅需要几个外部元件，包括电阻、电容和电感。该款转换器集成了补偿和功率MOSFET，以确保设计的鲁棒性，具有最小的元件数量以及高达95％的效率。
图4 ISL8002B典型应用电路
该转换器的引脚5提供软启动（SS）和输出跟踪（TR）功能。当该引脚连接至高电平时，软启动时间内部设置为1ms。但是，使用外部组件可以实现各种软启动方案。图5说明了如何使用SS/TR功能编程修改外部软启动时间。
图5 配置外部软启动
只需设置软启动电阻RSS和电容器CSS即可调整软启动时间。近似关系如以下公式所示：
该软启动功能也可以被配置为跟踪其他输出。图6显示了VOUT1至VOUT2的比例式跟踪配置。
图6 从VOUT1到VOUT2的比例式跟踪配置
另外，用户可以将两个SS/TR连接在一起，以强制两个输出电压同时上升。类似地，关闭功能也会按照上述等式中所述的软启动时间进行比例跟踪。
可以按照图7所示配置实现重合跟踪。只需在反馈环路中添加一个与其输出电压检测分压器具有相同比率的电阻分压器即可。在这种情况下，根据主电源轨，所有输出电压都会以相同的电压和转换速率升高。通常情况下，最高的电源轨是所有其他输出应跟踪的。然后，每个输出将在达到其调节点时分支出来。通过使所有输出轨以良好控制的方式启动和关闭，可以防止图1的内部ESD二极管导通或被正向偏置。最重要的是，这种设计技术可以防止系统可靠性的降低，避免闭锁条件或更糟糕的系统故障-现场系统故障。
图7 从VOUT1到VOUT2的重合跟踪配置
总结
与ISL8002B一样，集成式FET降压调节器提供了许多易于应用的解决方案，用于在上电和断电排序期间跟踪电压。几乎所有的系统电压跟踪要求都可以通过本文讨论的其中一个模块电路来配置。这些配置不限于两个调节器，因为它们可以应用于系统中的任意数量的电压轨。只需将所有SS/TR引脚连接在一起即可进行比例跟踪。或者，您可以使用电阻分压器对系统进行编程以进行重合跟踪。无论是比例式还是重合式跟踪方法都可以防止ESD二极管上产生不必要的压力，从而提高系统的整体可靠性。
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