用大电流LDO为FPGA供电需要低噪声、低压差和快速瞬态响应

作者：凌力尔特公司电源产品部设计工程经理 Greg Hughes
电源产品部高级产品市场工程师 Steve Knoth

背景

诸如可编程逻辑器件 (PLD) 等大电流、低电压数字 IC 几乎渗透到了每一种嵌入式系统中，可编程逻辑器件包括现场可编程门阵列 (FPGA)、DSP、µP 和 ASIC。这些嵌入式系统包括但不限于工业、通信、电信、服务器、医疗、游戏、消费类音频/视频和汽车。FPGA 正在使非常尖端的应用在这些市场中得以实现。根据市场调查公司 In-Stat 和 Gartner 的预测，2010 年 FPGA 市场将增长到超过 25 亿美元。在汽车应用中驱动 FPGA 使用增加的关键因素的一个例子是，消除人为错误，如防撞系统。此外，政府强制的安全功能 (如防锁刹车系统、稳定性控制以及电子控制的独立悬挂系统等) 也使得必须使用 FPGA。

目前一代 FPGA 和 ASIC 处理器兼有大电流、低电压和快速瞬态响应的特点，这对为内核、I/O和收发器通道供电的电源提出了比以往更严格的要求。这些数字 IC 是强大的，然而从电源的角度来看，也是反复无常的。传统上，一直用效率更高的开关稳压器为这些器件供电，但是开关稳压器有潜在的噪声干扰问题、瞬态响应和布局限制。结果，近些年来，一直将 LDO 作为可供这些应用选择的器件，但是 LDO 也不是没有它们自己的一些限制。不过，幸运的是最近在这一领域出现产品创新，使这种趋势已经有所改变，而且较新推出的 LDO 不再有性能权衡问题。

设计挑战

在严格地遵循摩尔定律下，芯片制造技术的线宽在不断缩小，从而使这些数字 IC 能够以更低电压运行。很多输入电压轨要以更大的电流和更低的输出电压运行，因而要求增加功耗。因此，需要最先进的封装，以使热量从电源 IC 中散发出来。就 LDO 而言，低压差运行能力最大限度地减小了输入和输出电压之差，同时这种稳压器保持输出稳定，以减轻功耗和热量问题。

要求高电源抑制比 (PSRR) 和低输出电压噪声是另外两项需要克服的挑战。一个具有高电源抑制比的器件可以更容易地在输入端滤除和抑制噪声，从而产生一个干净和稳定的输出。此外，对于今天的新式低噪声轨来说，噪声灵敏度是设计时需要考虑的因素，给这样的低噪声轨供电，一个在宽带宽上具有低输出电压噪声的器件是有利的。由于高端 FPGA 对速度的要求在提高，因此，电源噪声容限在不断减小，以最大限度地缩减位误差。就这些高速 PLD 而言，这类噪声引起的数字故障极大地降低了有效的数据吞吐速度。大电流时的输入电源噪声显然是一个重要而又苛刻的性能规格。

更高的收发器速度 (例如在 FPGA 中) 表示需要更大的电流，因为几何尺寸更小的电路开关时需要更大的功耗。而且，这些 IC 是快速的，它们可能仅用几十至几百 ns 时间就能将负载电流从零提高到几安培，因而需要一个有超快瞬态响应的稳压器。

为数字 IC 供电的新型稳压器解决方案

对于为这些较新的 FPGA 供电来说，具有合适规格的线性稳压器是一种理想的解决方案。不过，就 LDO 而言，必须拥有以下特性才可以使用：

• 快速瞬态响应时间
• 在宽输入/输出电压范围内运行
• 大输出电流能力
• 非常低的输出噪声
• 以非常低的压差运行
• 卓越的热性能
• 在高频时有高的 PSRR
• 系统调试功能  ……   一个额外收获

凌力尔特公司最近推出了 LDO 器件 LT®3070，该器件具有以上提到的所有特性。

超快 (UltraFast™) 5A 可编程输出、5A 低噪声 LDO

LT3070 是一种超快、数字可编程线性稳压器，与目前可获得的任何单片 5A LDO 相比，具有最低的压差电压、最低的噪声和最快的瞬态响应。其基于 MOS 的架构在满负载时允许仅为 85mV 的超低压差，在输入或输出电压波动时，地引脚中的电流没有变化。在 10Hz 至 100kHz 带宽范围内，5A 时的输出电压噪声仅为 25uVRMS，PSRR 在 1MHz 时为 30dB。LT3070 的 1MHz 单位增益带宽加上其最小的 15uF 陶瓷输出电容，在响应快速 4.5A 输出负载步进时，提供仅为 30mV 的过冲/下冲，从而显著节省了大容量电容、电路板空间和成本。参见图 1 以获得详细信息。结果，LT3070 非常适用于有效地为低压、大电流器件供电。

图 1：LT3070 的典型应用电路

Regulator：稳压器
CAPACITORS：电容器

LT3070 的输出电压是数字可编程的，范围为 0.8V 至 1.8V (以 50mV 增量)。在整个电压、负载和温度范围内，准确度严格规定为 ±1%。一种数字裕度调节功能能以 ±1%, ±3% 或 ±5% 的增量调节系统输出电压，这在系统开发调试阶段是有利的。一个电源良好(PowerGood) 标记可指示输出电压是否处于稳定状态，或者该器件处于 UVLO 状态，而且该标记还对热故障提供早期告警指示。LT3070 的输入电源电压范围为 0.95V 至 3.0V，而偏置电源电压范围为 2.2V 至 3.6V。这个偏置电源为内部 NMOS 通路器件提供栅极驱动。