高速模拟数据源系统的电源设计

吴 凯,张 磊,2*,佟首峰,2,李晓龙

(1.长春理工大学空间光电技术研究所,长春 130022;2.长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室,长春 130022;3.长春理工大学电子信息工程学院,长春 130022)

高速模拟数据源系统的电源设计

吴 凯1,张 磊1,2*,佟首峰1,2,李晓龙3

(1.长春理工大学空间光电技术研究所,长春 130022;2.长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室,长春 130022;3.长春理工大学电子信息工程学院,长春 130022)

针对星上高速载荷模拟数据源系统的需求,采用三输出10 A降压型微型模块稳压器LTM4633设计了一套开关电源供电模块,产生11种输出电压,输出电流高达20 A,并且利用LTspice IV仿真软件对电源电路进行仿真分析,保证FPGA逻辑电路和收发器GTX的上电顺序符合设计要求,同时改善输入和输出滤波来降低输出电压的纹波噪声,纹波范围12 mV～50 mV,实验测试输出电压与仿真一致,为整个模拟源系统的正常工作提供了保障。

开关电源;LTM4633;LTspice IV;FPGA;上电顺序

随着现场可编程门阵列FPGA的快速发展,FPGA向着集成度更高,速度更快,功能更强,功耗更大,供电系统更复杂的方向发展[1-2],FPGA供电要求由原来的1种～2种电源(Kintex)供电向十几种电源(Kintex-7)供电发展,并且这么多种电源中,对电源加电顺序也有一定的要求[3],传统的电源设计方法已经不再使用。在众多电源芯片生产厂家中,凌力尔特公司的电源模块具有纹波噪声小,输出功率大,单片电源输出路数多等优点,同时推出功能强大的开关电源设计及仿真软件Ltspice IV,成为众多电路设计者的选择[4-5]。本文采用4片稳压器芯片LTM4633为基于FPGA的模拟数据源系统设计了一种12 V转1 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、3.3 V、5.5 V等输出电压的开关电源模块。

1 模拟源系统电源需求

为了满足星间激光通信在地面上的演示试验需求,研究并设计了一种基于FPGA的高速载荷智能化数据模拟源,系统框图如图1所示。模拟源的主要功能是模拟星上有效载荷的数据输入与输出,既要将多路视频、音频信号复用成一路高速串行数据流经过光调制发送出去,又要实现高速伪随机序列的传输用于误码率测试[6]。同时对接收信号进行解复用,还原出音视频信号。本文主要讨论模拟源系统的电源模块设计。

图1 模拟源系统框图

1.1 FPGA主芯片的供电

FPGA是高度可配置的逻辑器件,可以在它周围放置不同的组件来完成最终系统设计。虽然会有各式各样的应用系统,但是所有设计的一个共同特点就是它们全都需要电源。根据应用的不同,主输入电源可以采用背板电源、隔离电源、非隔离电源,甚至是电池供电的方式。这些主输入通常生成一个中间DC电压来为FPGA的主电压轨供电。这些中间电压通常为5 V或12 V的DC电压。

本设计中选用Xilinx公司的Kintex-7系列FPGA芯片XC7K325T-2FFG900I,该芯片一共需要8种电源,内核电压VCCINT(1.0 V),Block RAM供电电源VCCBRAM(1.0 V),辅助供电电压VCCAUX(1.8 V),辅助IO供电电压VCCAUX_IO(1.8 V),IO电源VCCO(1.2 V、1.8 V,2.5 V或3.3 V)[3],本设计中IO供电使用3.3 V,高速收发模块GTX的QPLL模拟供电电源VMGTAVCC(1.0 V),高速收发模块GTX的发送、接收终端供电电源VMGTAVTT(1.2 V),高速收发模块GTX的QPLL辅助模拟供电电源VMGTVCCAUX(1.8 V),高速收发模块GTX的电阻校准电路模拟供电电源VMGTAVTTRCAL(1.2 V),此电源可与VMGTAVTT共用同一个电源,上述8种电源在上电瞬间或工作过程中需要的电流有可能会比较大,因此,每种电源都由电源芯片独立提供。上述8种电源在上电顺序上还有一定的要求,官方建议逻辑电路的加电顺序为VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX、VCCAUX_IO和VCCO。收发器的加电顺序为VCCINT、VMGTAVCC、VMGTAVTT和VMGTVCCAUX。由于有数个电源轨为FPGA供电,上面推荐的电源序列在启动时汲取最小电流,这反过来防止了对器件的损坏。表1列出了FPGA的供电要求。

表1 Kintex 7 FPGA电源要求

在FPGA电源设计中,不同电源轨会有不同的要求。内核电源轨通常需要在线路、负载和温度范围内保持更加严格的精度。收发器电源轨对于噪声更加敏感,并且需要将它们的输出保持在特定的噪声阀值以下。还需注意的是,某些具有共模电压的电源轨可组合在一起,并且可以用一个铁氧体磁珠进行隔离,以实现滤波或作为一个负载开关。

1.2 外围元件的供电

系统中除了FPGA的供电,主要外围芯片的工作电压同样要考虑。表2列出了系统中主要外围芯片的工作电压。

表2 主要外围芯片的工作电压

2 电路设计

在明确了FPGA及系统的电源要求后,开始进行器件选型。一般有3种方案供选择:低压降线性稳压器(LDO)、开关模式电源(SMPS)和集成模块,它们都具有不同的优缺点[7-8]。例如,由于其简单性和低输出噪声,LDO是某些较低电流FPGA电源轨的理想选择。而LDO的缺点在于效率不高,并且在较高电流时,通过导通晶体管大量散热。它们通常适用于功率较低、要求低噪声的应用。当需要的电流值大于2安培,并且效率更为重要的话,设计人员可以选择开关模式电源(SMPS)。这些器件在单相位配置中的效率可以达到90%以上,并且提供高达30 A的电流。与LDO相比,它们的设计工作量更大,并且在较轻负载时的效率不太高,不过它们更加灵活,并且在较高电流电平时的效率较高[9-11]。

本设计需要高电流输出,采用开关模式电源设计方案,选用的电源模块为凌力尔特的最新产品LTM4633,输入电压范围为4.7 V～16 V,输出3路电源,每个通道输出电流可高达10 A,第1、2通道输出电压范围为0.8 V～1.8 V,第3通道输出电压范围为0.8 V～5.5 V[12]。该芯片集成了散热器以增强散热能力,通道1、通道2可以并联,以支持高达20 A电流。

由于VCCINT需要的电流较大,需要LTM4633通道1和通道2并联,以达到输出电流20 A的目的,由于系统中还用到了5.5 V,1.5 V,整个系统使用了4片LTM4633为FPGA及系统其他部分提供电源。通过RUN管脚利用RC延时电路来控制其上电顺序,LTM4633的输入电压为12 V。电路设计如图2所示。

图2 系统电源电路设计

2.1 RC延时电路

RC延时电路的工作原理是系统上电后利用对电容的充电来实现延时的,设计中保证电阻R不变,通过改变电容的大小来达到不同的延时时间,延时时间的计算公式:

(1)

式中:电阻R和电容C串联,VIN是输入电压,VRun是电容两端要达到的电压来启动RUN。表3列出了在R=20kΩ下改变电容C的大小来控制电源上电顺序。

表3 在R=20 kΩ下电容C来控制电源上电顺序

2.2 输出电压控制

电源芯片LTM4633是利用PWM调节输出稳定电压的,内部有一个60.4 kΩ的电阻连接着VOUT和VFB引脚,通过在VFB和地之间加一外部反馈电阻就可以控制输出电压的大小。当芯片无外接反馈电阻(VFB开路),默认输出电压0.8 V。反馈大阻RFB大小与输出电压VOUT的关系[10]:

(2)

(3)

表4列出了典型VOUT与RFB的对应值。

表4 典型VOUT与RFB的对应关系

为了增大输出电流,有时需要把通道1和通道2并联(RUN1与RUN2,VFB1与VFB2,TK/SS1与TK/SS2皆并联),此时反馈电阻VFB的计算公式:

(4)

图3 电源仿真波形

3 仿真及分析

在LTspice IV中对模拟源系统的整个电源模块进行了设计和仿真,仿真结果如图3所示。由图3可以看出,不同电源电压的加电顺序满足设计要求,电源输出电压纹波噪声小。

电路的输入为12 V直流电源,输入滤波电容为150 μF,用于减少输入电压纹波;输入旁路电容为10 μF,有效去除了输入电压的高频分量。输出滤波由470 μF和150μF电解电容及10μF电容构成。在FPGA逻辑电路上电过程中,不同电压轨VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX、VCCAUX_IO和VCCO的稳定供电时间依次为0.34 ms、0.96 ms、1.28 ms、1.59 ms、1.96 ms;在高速收发器上电过程中,VCCINT、VMGTAVCC、VMGTAVTT和VMGTVCCAUX的稳定供电时间依次为0.34 ms、0.96 ms、1.28 ms、1.84 ms,都与1.1节中要求的上电顺序一致。

4 PCB设计

模拟源系统板的PCB设计采用16层板设计。首先进行整体布局,布局时要考虑PCB的形状和尺寸。通常,电路板的最佳形状为矩形,PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;而PCB尺寸过小时,散热不好,且邻近线条易受干扰[13-14]。由于设计的PCB板上有由4片LTM4633组成系统的供电单元,根据系统要求设计尺寸为233.0 mm×160.0 mm。在电源电路设计仿真成功的前提下,利用Cadence设计出PCB电路板,图4所示为模拟源系统的PCB设计图。

图4 模拟源系统的PCB设计图

图5 示波器测试波形

5 电路板测试

在模拟源系统上电瞬间,使用Tektronix数字荧光示波器DPO5104检测出电源波形,如图5所示,由于示波器只能同时采集4路信号,所以FPGA逻辑电路少了VCCO的波形,其他电压轨波形测试结果与仿真一致。但从测试波形看出,内核电压VCCINT的输出纹波较大,造成这一结果的原因可能有两个:①由于内核电压要求输出电流高达20 A,设计时把LTM4633的两路输出并联;②输入输出滤波应特殊设计,增加滤波电容和旁路电容来增强滤波效果。在以后电源设计中这一点需要认真考虑。

6 结论

本文详细阐述了基于FPGA高速载荷模拟数据源系统电源的设计、仿真和实现,利用LTspice IV对电源电路进行了仿真,结果达到预想的要求。经实际电路板测试,电源各项指标均符合系统要求,满足系统供电需求,现已在实际应用中得到验证。

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Design of Power Supply for High-Speed Simulation Data Source System

WUKai1,ZHANGLei1,2*,TONGShoufeng1,2,LIXiaolong3

(1.Institute of Space Optoelectronic Technology,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;2.Defence Key Subject Laboratory of Aero and Ground Laser Communication Technology,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;3.School of Electronics and Information Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)

For the satellite high-speed simulation data source system,a switching power-supply system of using three-output step-down 10 A uModule regulator LTM4633 is designed. The system can produce 11 kinds of output voltage,output current up to 20 A. The simulation software LTspiceIV is used to analyse power circuit for ensuring FPGA logic sequence and transceiver sequence to meet the design requirements,while improving the input filter and output filter to reduce the ripple noise of voltage,ripple range is 12 mV～50 mV. The experimental test is basically the same as simulation.It provides a guarantee for the entire system to work properly.

switching power-supply;LTM4633;LTspice IV;FPGA;power-up sequence

2016-04-01 修改日期:2016-05-02

C:1210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.019

TN609

A

1005-9490(2017)02-0356-05