在FPGA板卡的电源设计中,如何降低输入开关噪音

当使用大功率FPGA时FPGA从电源中需要的电流量增加；流过电源输入线的均方根电流增加。

当DC/DC转换器输入端的RMS电流增大时,输入端的开关噪声增大。到目前为止你可能没有留意过输入的RMS电流, 但是,今后在FPGA中使用的电流值增加的情况下,需要进行确认和研究。在这里,我想使用图1的LTM4650A-1的DC/DC转换器来探讨一下这个问题。

LTM4650A-1是一款双通道 25A的DC-DC转换器。两个通道可以合并输出50A。

50(A)也实现了约95%的高效率(图2)

通常,单输出的输入RMS电流如图5所示。是双输入电流IIN1和IIN2相加的大RMS电流。大的RMS电流表现为开关噪声。RMS电流引起的噪声可能导致系统故障。

根据下式计算RMS电流。条件为输入12V、输出1.0V、最大电流50A时,效率从图1到约87%。计算后,RMS电流值约为16A。

η%：电源模块的推定效率

D：降压转换器的占空比

D = VOUT / VIN

双相位是指将LTM4650-1内置的开关稳压器1和2的开关时序改变180°相位(相位)的动作。如图4所示,由于稳压器1的输入电流IIN1和稳压器2的输入电流IIN2的相位错开180°, 频率变为2倍,但输入电流的最大值为单相工作时的一半。

这降低了输入线路上的开关噪声,并提供了比单相更好的EMI控制,并降低了噪声对系统故障的影响。

从图5的标准化输入RMS电流图估计错相的RMS电流。如果Duty约为0.1,则RMS/Maximum Current比率为0.2。

结果,错相时的RMS电流约为10A,比单相时的16A大幅减少。这大大降低了输入线路上的开关噪声。

RMS电流的减小除了减少输入线的开关噪声外,还有一个好处。减少陶瓷电容器。一般来说,贴片陶瓷电容器的自发热温升必须控制在20℃以下。因此,RMS电流值变大的话自身发热就会变大,所以有必要增加电容器的数量散热。

假设使用了自身发热为20℃, RMS电流值为4.2A的陶瓷电容器。在这种情况下, 单相和双相操作所需的陶瓷电容器数量如下:

• 单相：4个（16A ÷ 4.2A ＝ 3.81）
• 双相：3个 (10A ÷ 4.2A ＝ 2.38）

由于在FPGA板卡上安装了非常多的陶瓷电容器,因此即使减少1个,在削减安装成本和管理费用成本方面,也是制造上的优势。