【我的WEBENCH得意之作】FPGA供电--Altera Cyclone V最新系列FPGA

ly6277895   2015-6-28 23:55 楼主
(1) 设计目标:
  • 为Altera Cyclone V(5CEBA7F31)设计系统供电;
  • 内核电压1.1V,PLL为2.5V,I/O各bank及VCCPD供电3.3V;
  • 要求整体高效率,对高度有要求,不用控制成本;
(2) 设计思路:

通过TI官网主页WEBNECHDesigner中的FPGA电源设计功能,设置基本的电压、电流、温度等参数;然后按照希望达到的效果,调节WENBENCH优化工具,获得最符合自己要求的解决方案。

(3) WEBENCH设计过程:
a) 进入FPGA/uP,选择Altera,点击“FPGA Architect”进入如下界面。
选择FPGA的时候,最重要的是选对FPGA的系列!!!(本设计是为5CEBA7F31设计,但是选项里没有,没有关系!选择是同样系列的5CEFA7F31C8N也可以。因为两者都是Cyclone V E系列的,各性能只有“Embedded Hard IPs”不一样,其他的逻辑数量,引脚数,工作温度等都是一样。对这里的供电完全没有影响。故选择图中所示的5CEFA7F31)
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选完FPGA的系列之后,就意味着VCC(内核电压)和VCCA_PLL已经选定,不可更改
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可更改的只有各个I/O Bank的电压和VCCPD。I/O根据自己板子设计需要来选择,VCCPD需要仔细查看FPGA的数据手册。本设计根据需要均设置为3.3V。
注意事项:设计FPGA的开发板,一定要熟读FPGA的手册,注意各个细节才能设计出完美的板子,日后也少些BUG
通过Altera官网提供的功耗评估软件,及实际电路各模块分析,得到系统1.1V,2.5V和3.3V所需要的电流分别为2A,1A,2A。
下一步设置各电压的电流。如图所示,设置好VCC和VCC_PLL的电流为2A和1A。
由于I/O各Bank的电流需求暂不明确,但是整体所需的电流(2A)是知道的,因为均分给各Bank0.2A,8个Bank为1.6A,加上VCCPD的0.4A,3.3V的电流需求即为2A。
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进入设计,按照图上1到4的顺序来快速选定符合自己的设计方案。
标号1可以根据设计要求(最小面积,最低BOM成本,最高效率等)来优化设计。
à本设计对效率要求较高,而对板子面积,BOM成本均没有要求,故此处将优化调节到5(最高效率)。
标号2:调节细节参数。包括效率,BOM,大小和BOM数量等参数。
à本设计对效率要求很高,故将滑钮调节到90%以上。
标号3基于以上两步的设置和筛选,最后看到就是适用的解决方案。可以根据自己的综合要求选择最合适的一个。
à本设计按照效率排序,最后选择了标号4所示的方案。
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b) 进入项目细节设置。
该方案给出的三个电源分别是TPS54678,TPS62180,TPS54418。但是通过查看TPS54678的手册可知,TPS54678是具有集成FET的2.95V至6V输入,0.6V至4.5V输出,6A,2MHz同步降压电流模式转换器。而且TPS54678的效率也足够高。
考虑一个问题:为了设计、调试和采购的方便是否可以用TPS54678代替TPS62180和TPS54418?
答案是肯定的,如下图。在SUPPLY_2,即2.5V供电的通道。推荐方案是TPS62180,但是在WEBENCH里可以选择替代电路,可以我也确实找到了TPS54678!同样的在SUPPLY_3里面也找到了TPS54678。
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最后的方案如下图所示。均为TPS54678,而且整体效率从原来的96.8%升到了97.5%!
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C) 下面是该方案的细节设计。
Ø 包括效率曲线,占空比曲线;原理图;热仿真;材料清单;并且可以导出各类PCB设计工具(Altium Designer、Cadence等)所需的原理图,芯片封装和PCB版图。超级赞!再也不用担心画错封装了!!
3.jpg
Ø 其中的材料清单选项是另一个可以更改设计选项的地方。可以更改设计中使用到的电阻、电容、电感。可以选择不同厂商的,不同封装大小的,甚至是电感值,但是最终也会影响电源效率曲线等。
图中黑色椭圆框圈住的部分就是更改了电感之后的材料清单。原来的电感太大太高,因为有三路电源,所以选了电感体积较小的。
Ø 热仿真
基本没有发热严重的地方,说明设计很合理。
4.jpg
d) 导出设计。
点击“Export”按钮。可以导出各类PCB设计工具所需的原理图,封装库,和Layout
点击“打印”按钮。可以导出原理图,材料清单,特性曲线等内容。
à本设计选用Altium Designer。依次导出AD的原理图和PCB,供设计参考使用。
个人技巧强力推荐:很多电源芯片的封装是异型焊盘,自己画比较麻烦。建芯片的封装库的时候,打开导出的PCB工程,可以直接拷贝芯片的封装到自己的PCB库,又快又不用担心画错!
5.png
(4) 实际设计过程:
a) 完全参考给出的参考设计,绘制原理图。并制作封装库。
三路除了电压设置不一样,电感感值不一样,其他的设计都是一样的。很方便!
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b) 实际PCB设计。从左到右分别为3.3,2.5V,1.1V.
7.jpg
c) 焊接制作板子:焊接制作成品板子,如下面两图所示。
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(5) 实际板子参数测量
用万用表测试电压输出。图太多,就只放一张图,如图测出的是3.311V,因为是数字电源,所以满足要求。另外两路分别为2.521V和1.116V。
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用示波器测试纹波。下图为DC-DC噪声输出。频率大概为200K,峰峰值30mV。
10.png
个人技巧强力推荐:DC-DC噪声测量方法。
因为DC-DC的开关频率一般都比较高,所以左图中,长的接地线和探针形成的环会产生一个高频的干扰。而右图中,用接地小环,基本上已经没有了环路,高频干扰噪声就会很小,这样测的得纹波才会比较准确。
11.png
(6) 设计与实际的比较
面积
成本
效率
纹波
推荐设计
未知
实际设计
未测
偏大
a) 面积:实际板子设计要比WEBENCH推荐布局要更紧凑,更小;
b) 成本:成本比列表所示贵。芯片是通过第三方渠道购买,成本更高;
c) 效率:暂时没有办法测量。实际工作中,电感自身损耗的差异性,电阻电容的误差,环境温度,测试条件的不一样等等因素,应该没有推荐的高。
d) 纹波:DC-DC实际输出的纹波30mV,按照经验值看,有些偏大。
(7) WENBENCH使用感受:
1) TI的WEBENCH实在是越来越强大了,从开始的电源设计,发展到现在连滤波器也可以设计。电源设计覆盖也越来越全面,现在项目中电源模块的设计已经离不开WEBENCH。
2) 流畅程度有了很大的进步,以前点“返回”按钮会经常卡死,现在完全没有压力,很赞;
3) 功能越来越多,材料清单更换的内容也越来越多,设计更加轻松;
4) 不过电气仿真功能加载速度是在有些慢,热仿真功能也有这个问题,可能跟这个工具是基于网页的有关;
5) 导出Altium Designer工程,很多时候原理图工程无法打开,而且选择了导出Footprint LIB,但实际并没有。
本帖最后由 ly6277895 于 2015-6-28 23:55 编辑

回复评论 (2)

非常好,学习了,谢谢!请问“由于I/O各Bank的电流需求暂不明确,但是整体所需的电流(2A)是知道的,因为均分给各Bank0.2A,8个Bank为1.6A,加上VCCPD的0.4A,3.3V的电流需求即为2A。”每个bank所需电流和vccpd所需电流是如何确认的?
点赞  2018-8-26 19:38
正需要这个,谢谢
点赞  2018-10-29 09:44
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