為了提高轉(zhuǎn)換效率，FPGA 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員正在放棄使用線(xiàn)性調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)而采用開(kāi)關(guān)式 DC/DC轉(zhuǎn)換器。雖然開(kāi)關(guān)式DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以顯著提高效率，但設(shè)計(jì)復(fù)雜性也會(huì)相應(yīng)提高，同時(shí)還會(huì)增加器件數(shù)量和封裝尺寸。對(duì)于高速 I/O 而言，最重要的問(wèn)題在于開(kāi)關(guān)式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能會(huì)引入噪聲。

名為 PowerSoC 的新型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能夠最大程度地降低各種噪聲成分，而且其對(duì)高速 I/O 的供電性能可以比肩甚至超越線(xiàn)性調(diào)節(jié)器。

PowerSoC 由 Enpirion 公司于 2004 年推出，它將整個(gè)DC/DC 轉(zhuǎn)換器集成到單個(gè) IC 封裝中，其中包括控制器、門(mén)驅(qū)動(dòng)器、MOSFET 開(kāi)關(guān)、高頻去耦以及最重要的電感器。大多數(shù)PowerSoC 只需要輸入和輸出濾波電容器，因此整個(gè)解決方案既簡(jiǎn)單又小巧。

這種結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的同步開(kāi)關(guān)式DC/DC 轉(zhuǎn)換器由一對(duì) MOSFET 開(kāi)關(guān)、一個(gè)電感器和輸入、輸出濾波電容器組成。圖 1 顯示的是處于開(kāi)關(guān)周期中的轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)的直流 （DC） 和交流 （AC） 路徑。當(dāng) SW1 閉合（SW2開(kāi)放），來(lái)自電源的電流經(jīng)電感器流到負(fù)載，同時(shí)輸入和輸出濾波電容器對(duì)高頻交流電流進(jìn)行“分流”。當(dāng)SW2 閉合（SW1 開(kāi)放），存儲(chǔ)在電感器中的能量在開(kāi)關(guān)周期的后半程為負(fù)載繼續(xù)提供電流。開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉和高頻 AC電流的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。

噪聲和降噪策略

步降 DC/DC 轉(zhuǎn)換器首先高效地將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，然后用濾波器將其轉(zhuǎn)變成偽直流電壓。這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生四種類(lèi)型的噪聲：轉(zhuǎn)換器直流輸出上的紋波噪聲、轉(zhuǎn)換器輸入電源上的紋波噪聲、輻射電磁噪聲、傳導(dǎo)電磁噪聲。

每種無(wú)源電氣器件除了自身的基本特性（電阻、電容、電感）以外，都有另外兩種寄生特性：比如對(duì)電容而言，就有等效串聯(lián)電阻 （ESR） 和等效串聯(lián)電感 （ESR）；對(duì)電阻而言，則有等效串聯(lián)電感和等效并聯(lián)電容。

輸出紋波是開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的高頻脈動(dòng)直流經(jīng)過(guò)輸出電容濾波后的副產(chǎn)物。圖 2 顯示了輸出濾波電容器的小信號(hào)模型以及模型中每個(gè)元素對(duì)輸出紋波波形所起的作用。請(qǐng)注意，輸出濾波電容器的 ESL 與 PCB 回流路徑走線(xiàn)的寄生電感和轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部寄生電感相結(jié)合，就構(gòu)成了輸出濾波器環(huán)路的總 ESL。該 ESL 通過(guò)感應(yīng)“振鈴”引起大量高頻尖峰。

大多數(shù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)會(huì)提供低通濾波紋波波形，但一般無(wú)法可靠反應(yīng)出給定應(yīng)用PCB 板上測(cè)得的真實(shí)紋波情況。

要從根本上降低輸出紋波，您可降低紋波電流， 也可以降低電容的ESR 和 ESL 以及 PCB 走線(xiàn)的 ESL。提升開(kāi)關(guān)頻率可降低給定電感值下的紋波電流，并允許采用尺寸更小的低ESR/ESL 陶瓷電容。但是，開(kāi)關(guān)頻率升高會(huì)增大 MOSFET 開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，并給效率造成不利影響。

就如將電阻并聯(lián)可以降低總電阻一樣， 將多個(gè)電容器并聯(lián)可以降低ESR/ESL。但是增加電容器的數(shù)量會(huì)增加 PCB 上的 ESL，同時(shí)還會(huì)增加轉(zhuǎn)換器占用的 PCB 空間。

采用較小的濾波器組件（電感和電容）縮短 PCB 的長(zhǎng)度可以起到控制PCB ESL 的作用。但遺憾的是，較小的電感通常會(huì)在不增加開(kāi)關(guān)頻率的情況下增大紋波電流。

另一種方法是使用二級(jí)濾波，比如在 DC/DC 輸出濾波器和目標(biāo)負(fù)載之間放置鐵氧體磁珠和電容。這種方法的缺陷在于更多的有損元件會(huì)影響調(diào)節(jié)性能并導(dǎo)致效率降低。

輸入電壓紋波

隨著 SW1 MOSFET 的開(kāi)閉，來(lái)自電源 （VIN） 的電流會(huì)以接近矩形脈沖的波形流出。起伏時(shí)間非常短，僅為幾納秒。

與輸出濾波器電容 ESR 和 ESL以及 PCB 走線(xiàn) ESL 生成輸出紋波的方式非常類(lèi)似，輸入濾波器電容的ESR 和 ESL 以及電源 PCB 走線(xiàn)的ESL 也會(huì)產(chǎn)生輸入紋波。但是，輸入電流紋波的幅度卻要大得多，且電流隨時(shí)間變化也非常大（di/dt）。因此PCB 電感的影響會(huì)更加明顯，且輸入濾波器電容必須能夠承受更大的RMS 電流。這種高速開(kāi)關(guān)的大電流也是傳導(dǎo)和輻射電磁噪聲 （EMI） 的主要來(lái)源。

與輸出濾波器電容相似，采用較高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用尺寸更小、ESR/ESL 更低的陶瓷輸入濾波器電容。但同樣需要注意開(kāi)關(guān)損耗增大的問(wèn)題。

降低開(kāi)關(guān)損耗的策略之一是最大限度地減小輸入濾波器回路的寄生電感。實(shí)現(xiàn)的主要方法是讓濾波電容器盡量貼近 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，并讓 PCB走線(xiàn)盡量短而寬。您應(yīng)避免將輸入濾波電容器放置在 PCB 板的另一面，再用過(guò)孔將其與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器相連。這樣會(huì)在電流環(huán)中產(chǎn)生大量電感。

發(fā)射電磁噪聲

發(fā)射電磁噪聲由輸入交流電流環(huán)中高速開(kāi)關(guān)的大電流產(chǎn)生?；貞浺幌履鶎W(xué)過(guò)的電磁場(chǎng)課程，環(huán)形天線(xiàn)的輻射效率就是環(huán)半徑與輻射波長(zhǎng)的函數(shù)。

這個(gè)等式用于計(jì)算出半徑為 r 的環(huán)形天線(xiàn)在波長(zhǎng)為 λ 時(shí)的輻射功率；其中 η 為自由空間常數(shù)。請(qǐng)注意等式中環(huán)半徑 r8 和波長(zhǎng) λ4 的關(guān)系。因此，如果提高頻率允許使用較小的組件進(jìn)而降低輸入電流環(huán)的半徑，那么這樣做的優(yōu)勢(shì)還是很明顯的。

降低發(fā)射電磁噪聲 的最佳策略是縮小輸入交流環(huán)的半徑。您可以通過(guò)提升開(kāi)關(guān)頻率從而使用較小尺寸的陶瓷濾波電容器來(lái)做到這點(diǎn)。在這里同樣需要注意由開(kāi)關(guān)頻率升高而帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗增大問(wèn)題。

傳導(dǎo)電磁噪聲

傳導(dǎo)電磁噪聲 有兩個(gè)主要來(lái)源：首先是來(lái)自輸入電壓軌的高速開(kāi)關(guān)輸入電流，它可同時(shí)產(chǎn)生電源紋波（差分模式）EMI 和地彈（共模）EMI；另一個(gè)主要來(lái)源則是電感器磁通泄漏到電路板 PCB 走線(xiàn)上造成的耦合。

在這里，首選緩解策略是正確選擇輸入濾波電容器的尺寸，以提供高頻交流電流或?qū)Ω哳l交流電流進(jìn)行濾波，從而盡量減小供電軌上的電流。

另外，應(yīng)盡量減小輸入交流電流環(huán)路的寄生電感和 ESL。實(shí)現(xiàn)方法是盡量提高開(kāi)關(guān)頻率，以便使用低 ESL的陶瓷電容器。這樣做可以縮小環(huán)路半徑。同樣，采用更高頻率會(huì)造成開(kāi)關(guān)損耗增大。

再有，應(yīng)盡量縮短并加寬輸入濾波電容器的 PCB 走線(xiàn)，從而降低走線(xiàn)電感。最后，使用帶屏蔽的電感器降低磁通泄漏。

利用 POWERSOC 降低噪聲

在生產(chǎn) PowerSoC 器件的時(shí)候，Enpirion 使用專(zhuān)門(mén)的深亞微米高頻LDMOS 工藝不僅實(shí)現(xiàn)了低開(kāi)關(guān)損耗，而且實(shí)現(xiàn)了控制、驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)元件的完全集成。低開(kāi)關(guān)損耗使高開(kāi)關(guān)頻率（一般為 5MHz）的使用成為可能。

高密度、高磁導(dǎo)率、小尺寸的磁性材料能以低直流阻抗實(shí)現(xiàn)極低的交流損耗。這種磁性材料和磁結(jié)構(gòu)具有自屏蔽特性，可降低磁通泄漏。在高開(kāi)關(guān)頻率下可使用物理尺寸很小的電感器以及較小的輸入和輸出濾波電容器。這樣就可以實(shí)現(xiàn)極小的輸入和輸出交流環(huán)路，降低紋波和 EMI。

在封裝布局上，采用了可以進(jìn)一步縮小輸入和輸出交流濾波器環(huán)路的設(shè)計(jì)，從而最大程度地降低了發(fā)射電磁噪聲、傳導(dǎo)電磁噪聲 和紋波。封裝設(shè)計(jì)還采用 RF 技術(shù)來(lái)最大程度地降低內(nèi)部線(xiàn)路元件的寄生阻抗，從而將高頻交流電流約束在封裝內(nèi)部。

圖 3 和圖 4 是 PowerSoC 和分立元件 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)之間的比較。

使用 POWERSOC 為ROCKETIO 供電

我們?yōu)?a href="http://www.makelele.cn/tags/賽靈思/" target="_blank">賽靈思 Virtex?-5 開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)和制作了一個(gè)子卡。我們使用Enpirion 設(shè)備為開(kāi)發(fā)板供電，并分別測(cè)量線(xiàn)性調(diào)節(jié)器、有二級(jí)濾波 PowerSoC和沒(méi)有二級(jí)濾波 PowerSoC 三種轉(zhuǎn)換方案的抖動(dòng)情況。PowerSoC 在有二級(jí)濾波和沒(méi)有二級(jí)濾波情況下的抖動(dòng)分別為 77.2 和 78.3 皮秒。線(xiàn)性調(diào)節(jié)器的抖動(dòng)為 78 皮秒。

很明顯，Powe rSoC 是面向FPGA 設(shè)計(jì)人員的又一款功能強(qiáng)大的新工具。在從線(xiàn)性調(diào)節(jié)器電壓轉(zhuǎn)換器向更高效的開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器過(guò)渡的過(guò)程中， 采用這種器件能夠避免很多問(wèn)題。PowerSoC 不僅具備線(xiàn)性調(diào)節(jié)器的小尺寸和易于設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，而且具有開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器的高效率特點(diǎn)，同時(shí)又可避免分立轉(zhuǎn)換器在噪聲和復(fù)雜性方面的不足。