基于TPS64203開關(guān)DC/DC 控制器的Spartan?-3電源管理解決方案

引言

在電子設(shè)計中，為FPGA提供穩(wěn)定、高效的電源是至關(guān)重要的。本文將詳細介紹基于TPS64203開關(guān)DC/DC控制器的電源管理解決方案，該方案專為Spartan?-3 FPGA設(shè)計，能夠在5.0V或3.3V輸入電壓下提供高達3A的電流。

文件下載：XILINXPWR-079.pdf

支持的FPGA型號

該電源管理解決方案支持多種Xilinx FPGA型號，不同型號的支持情況有所不同：

Spartan?-3：支持PR213，相關(guān)文檔鏈接為http://wwws.ti.com/sc/techlit/slva174.pdf 。
Spartan?-II：電路板需要進行重大修改以支持PR211，相關(guān)文檔鏈接為http://www - s.ti.com/sc/techlit/slva172.pdf 。
Spartan?-IIE：電路板需要進行重大修改以支持PR212，相關(guān)文檔鏈接為http://www - s.ti.com/sc/techlit/slva173.pdf 。

方案特性

低成本高電流輸出

采用Tiny SOT - 23開關(guān)DC/DC控制器U2，能夠以低成本提供高達3A的電流。

可定制設(shè)計

電流調(diào)整：通過調(diào)整Q3的尺寸，可滿足應(yīng)用的ICCINT電流要求，最大可達3A。
電流檢測優(yōu)化：可以省略電流檢測電阻R4，將ISNS連接到Q3的漏極，利用Q3的RDSon作為電流檢測，實現(xiàn)有效的電流限制功能，但精度會略有降低。
線性穩(wěn)壓器選擇：從TPS79xxx系列中選擇線性穩(wěn)壓器，以滿足應(yīng)用的ICCO要求。

降低浪涌電流

外部監(jiān)控IC：使用外部監(jiān)控（SVS）IC U1，監(jiān)測輸入軌，在輸入大容量電容（原理圖中未顯示）完全充電之前，防止穩(wěn)壓器啟用。
集成軟啟動：U2具有集成軟啟動功能。
軟啟動電路：由外部PMOS晶體管Q4和支持的無源元件組成的軟啟動電路，為Vcco提供10ms的上升時間。
順序啟動：通過由雙極晶體管Q1和Q2以及支持的無源元件形成的離散SVS電路，實現(xiàn)VCCINT、VCCAUX和VCCO的順序啟動，即VCCINT使能VCCAUX穩(wěn)壓器U3，VCCAUX使能VCCO穩(wěn)壓器U4。

滿足啟動要求

該設(shè)計滿足Xilinx的VCCINT和VCCO啟動配置文件要求，包括單調(diào)電壓斜坡、浪涌電流和電源電壓斜坡時間要求。

重要網(wǎng)絡(luò)鏈接

TI主頁：http://www.ti.com/xilinxfpga ，可獲取更多Xilinx FPGA電源管理解決方案的信息和其他參考設(shè)計。
數(shù)據(jù)手冊：http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps64203.pdf 、http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps78601.pdf 、http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps79401.pdf 和http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tlc7705.pdf 。
應(yīng)用筆記：
- SLVA156：http://focus.ti.com/lit/an/slva156/slva156.pdf ，提供軟啟動電路的詳細信息。
- SLVA118：http://focus.ti.com/lit/an/slva118/slva118.pdf ，探討使用線性穩(wěn)壓器時的熱考慮因素。
- SLVA160：http://focus.ti.com/lit/an/slva160/slva160.pdf ，指導(dǎo)從TPS642xx系列中選擇不同選項。
- SLVA159：http://focus.ti.com/lit/an/slva159a/slva159a.pdf ，適用于使用3.3V JTAG端口的情況。

實施注意事項

啟動順序

雖然Xilinx FPGAs不需要啟動順序，但該參考設(shè)計采用了啟動順序。這符合良好的電源設(shè)計原則，可防止因同時為大電容負載充電的浪涌電流導(dǎo)致輸入電源電壓下降。

VCCO最小斜坡時間

通過Q4軟啟動電路滿足VCCO最小斜坡時間要求。

功率耗散和熱問題

二極管選擇：SMA封裝的二極管D1僅能在環(huán)境溫度低于35°C時支持3A電流。為了在更高環(huán)境溫度下提供必要的功率耗散，需要將二極管升級為SMC封裝或DDPAK封裝，具體可參考二極管的數(shù)據(jù)手冊獲取熱規(guī)格。
線性穩(wěn)壓器：參考線性穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊的應(yīng)用部分，了解不同環(huán)境條件下的最大功率耗散，以及為散熱調(diào)整封裝下方接地平面面積的指導(dǎo)。

TPS64203設(shè)計要點

PMOS晶體管選擇：TPS64203控制器驅(qū)動PMOS晶體管Q3的柵極電流有限，因此需要選擇最大總柵極電荷Qg小于50nC的PMOS晶體管，以確?？刂破髡９ぷ鳌?/li>
電流檢測：省略電流檢測電阻R4，將ISNS連接到Q3的漏極，利用Q3的RDSon作為電流檢測，可實現(xiàn)有效的電流限制功能，但精度會略有降低。

軟啟動電路

PMOS晶體管選擇：PMOS晶體管Q4的閾值電壓VTH應(yīng)至少比VCCO電壓低0.9V（例如，VTH ≤ 3.3V - 0.9V = 2.4V）。此外，當由線性穩(wěn)壓器的輸出驅(qū)動時，晶體管的RDSon應(yīng)足夠低，以確保在最大電流下（例如，ICCINTmax * RDSon）晶體管上的電壓降不會使VCCO低于其 - 5%的容差。
電容要求：Q4的漏極需要至少10uF的總電容，以確保軟啟動電路正常工作。FPGA的VCCO軌所需的額外大容量旁路電容（原理圖中未顯示）很可能滿足這一要求。

布局

1.0uF電容C7應(yīng)盡可能靠近TLC77xx SVS IC的VDD和GND放置。

修改建議

TLC7705 CT引腳：TLC7705的CT引腳未連接，但可與電容一起使用，在5V軌上升和TPS64203的RST = /EN之間添加延遲。
3.3V電源適配：省略U4電路，用TLC7733替換TLC7705。
低成本替代方案：對于U1的低成本離散電源電壓監(jiān)控電路替代方案，可參考參考設(shè)計PR286（高電平有效復(fù)位輸出）或PR281（低電平有效復(fù)位輸出）。

3.3V配置

Spartan - 3 FPGA配置和JTAG端口通常使用2.5V擺幅的信號。也可以通過添加一些外部電阻使用3.3V信號，但3.3V信號可能會導(dǎo)致反向電流從某些配置和JTAG輸入引腳通過FPGA流到VCCAUX電源軌。因此，實施時請參考應(yīng)用筆記SLVA159（http://focus.ti.com/lit/an/slva159a/slva159a.pdf ）。

物料清單

COUNT	RefDes	Description	SIZE	MFR	Part Number
1	C1	電容，陶瓷，22 - uF，10 - V，X5R，10%	1210	muRata	GRM32ER61A226KA65
0	C10, C11	電容，陶瓷，xx - uF，xx - V	603
4	C2, C3, C4, C5	電容，陶瓷，2.2 - uF，6.3 - V，X5R，10%	805	muRata	GRM21BR60J225KC01
3	C6, C12, C13	電容，鉭，100 - uF，10 - V，95 - 毫歐，20%	7343 (D)	Vishay	594D107X0010D2T
1	C7	電容，陶瓷，0.1 - uF，25 - V，X7R，10%	603	muRata	GRM188R71E104KA01
1	C8	電容，陶瓷，0.033 - uF，16 - V，X7R，10%	603	muRata	GRM188R71C333KA01
1	C9	電容，陶瓷，1.0 - uF，6.3 - V，X5R，10%	603	muRata	GRM188R60J105KA01
1	D1	二極管，肖特基勢壘整流器，3 - A，20 - V	SMA	Diodes Inc.	B320A
8	J1 - J8	接頭，2 - 引腳，100mil間距，(36 - 引腳條)	0.100 x 2	Sullins	PTC36SAAN
1	L1	電感器，SMT，4.7 - uH，4.5 - A，2 - 毫歐	0.484 x 0.484	Coilcraft	MSS1260 - 472MX
2	Q1, Q2	雙極型，NPN，30 - V，800 - mA，310 - mW	SOT23	Vishay	BC818 - 16
1	Q3	MOSFET，P - 溝道，20V，4.8 - A，76 - 毫歐	1206 - 8	Vishay	Si5475DC
1	Q4	MOSFET，P - 溝道， - 20 V，4 A，51 毫歐	SOT23	Vishay	Si2323DS
0	Q5	MOSFET，N - 溝道	SOT23
0	Q6	MOSFET，P - 溝道	SOT23
4	R1, R2, R5, R13	電阻，貼片，100k - 歐姆，1/16 - W，1%	603	Std	Std
1	R3	電阻，貼片，221k - 歐姆，1/16 - W，1%	603	Std	Std
1	R4	電阻，貼片，0.02 - 歐姆，1/4 - W，1%	1210	Std	Std
1	R6	電阻，貼片，210k - 歐姆，1/16 - W，1%	603	Std	Std
1	R7	電阻，貼片，100 - 歐姆，1/16 - W，1%	603	Std	Std
3	R8, R11, R14	電阻，貼片，0 - 歐姆，1/16 - W，5%	603	Std	Std
0	R9, R10, R12, R15, R16	電阻，貼片，xx - 歐姆，1/16 - W	603
1	S1	開關(guān)，1P2T，滑動式，PC安裝，200 - mA	0.46 x 0.16	E_Switch	EG1218
1	U1	IC，電壓監(jiān)控器，微功耗	TSSOP - 8	TI	TLC7705PW
1	U2	IC，降壓控制器	SOT23 - 6	TI	TPS64203DBV
1	U3	IC，超低噪聲，高PSRR，快速RF 250 mA，LDO線性穩(wěn)壓器，2.5V	MSOP 8	TI	TPS79425DGN
1	U4	IC，超低噪聲，高PSRR，快速RF 1.5A LDO線性穩(wěn)壓器	DDPAK - 5	TI	TPS78633KTT
1	--	PCB，2.7 In x 2.45 In x 0.062 In		Any	HPA079

總結(jié)

基于TPS64203開關(guān)DC/DC控制器的電源管理解決方案為Spartan?-3 FPGA提供了一種穩(wěn)定、高效且可定制的電源解決方案。通過合理選擇元件、優(yōu)化布局和考慮熱問題，可以確保該方案在不同應(yīng)用場景下的可靠性和性能。在設(shè)計過程中，工程師應(yīng)仔細參考相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用筆記，根據(jù)具體需求進行調(diào)整和優(yōu)化。你在實際設(shè)計中是否遇到過類似的電源管理問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。

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