详细的FPGA电源系统设计（附器件选型）

        某型FPGA的内部逻辑模块需要1.2V的电源

进行供电，并要求其稳定性在±50mV之内，如下图所示。

       本文采用TPS54302电源转换器将12V输入电压转换为1.2V输出电压，其最大输出电流为3A。要使得所产生的电压稳定在1.2V±50mV，需要考虑输出电压纹波、输出电流阶跃变化所引起的输出电压变化、输出电压的偏置及PCB线路的电压压降等因素。

       输入电容的选择

       输入电容分为两种，一种是大容量电容，一种是滤波电容。当输入电源距离TPS54302有几英尺以上时就需要大容量电容。TPS54302的datasheet推荐使用47 uF的电解电容。选择额定电压为35V的松下EEEFK1V470AP作为大容量电容。TPS54302的datasheet推荐使用10 uF的陶瓷电容作为退耦电容，并且另推荐使用一个0.1 uF的陶瓷电容进行高频滤波。初步选择型号为GCM32ER71E106KA42的10 uF陶瓷电容以及型号为GRM155R71E104KE14的0.1 uF陶瓷电容。

        下面对这两个电容的额定电压和额定纹波电流参数进行核定。根据TPS54302 datasheet公式4可以计算出

为193.5mV。值得注意的是，根据上下文的语句，公式4中所用到的bulk capacitor value和maximum series resistance of the bulk capacitor应该指的是这个10 uF陶瓷电容的参数。由此可知，10 uF和0.1 uF的额定电压需要大于

。GCM32ER71E106KA42和GRM155R71E104KE14的额定电压均为25V，大于12.1V，满足要求。根据TPS54302 datasheet公式5可知，最坏情况下的纹波电流能够达到1.5 A。经过在SimSurfing软件中查询GCM32ER71E106KA42的Temp.rise可知，需要5A的纹波电流才能使得该电容温升达到20℃。

        根据如下式所示的电容阻抗计算公式可知

0.1uF电容的阻抗将比10uF电容的阻抗大100倍。因此，纹波电流几乎都从10uF电容流过。所以，即使GRM155R71E104KE14在温升为20摄氏度时的额定纹波电流仅为0.9A，也足矣。

       Bootstrap电容的选择

       TPS54302 datasheet对bootstrap电容的要求是X7R或X5R，容值为0.1 uF的陶瓷电容即可。上面选择的GRM155R71E104KE14即可满足要求。

       设定输出电压值

      根据公式6，分别使得 R2 = 100 K (TNPW0402100KBEED), R3 = 97.6 K (ARG02BTC9762)，即可使得TPS54302输出1.2066V的电压，此处比FPGA要求的1.2V典型值高6.6mV是考虑了PCB线路压降以及电阻标称值的因素。

       Undervoltage Lockout设置

       TPS54302默认的输入电压升高时的under voltage lockout阈值为4.1V，而输入电压下降时的under voltage lockout阈值为3.6V。这两个阈值对于本文的12V输入电压不适用。因为当负载端需要较大功率时，输入端在仅大于4.1V时就开始工作了，此时输入端的电流将较大，导致输入电压又降低，从而导致TPS54302无法稳定工作。将输入电压上升和下降时的under voltage lockout阈值分别设置为9.6V和8.8V。由公式1和公式2，可以计算出R4和R5的阻值分别为360K (0402WGD3603TCE)和51K (ERJU2RD5102X)。

       输出滤波器组件

       电感器的选择

       因为对于输出电流的阶跃响应主要由输出端的大容量电容完成，所以这里不必选择小电感值的电感来使得TPS54302可以快速响应输出电流的阶跃变化。因此，这里选择

，使得电感值较大，AC电流幅值更低，输出电压纹波更小。使用公式8可以计算出

，这里选择标称值为5.6 uH的电感。使用公式9可以计算出该电感的最大RMS电流值为3.005 A。使用公式10计算出该电感的峰值电流为3.3 A，但是考虑到TPS54302输出的最大峰值电流为5.9 A，该电感需要至少承受5.9 A的电流。最终，选择威世的IHLP4040DZER5R6M01电感，其额定的RMS电流和饱和电流分别为8.5A和16A。

       输出电容的选择

       在选择输出电容的时候需要考虑三个因素：the modulator pole, 输出电压纹波及输出电压对负载电流阶跃变化的暂态响应。在公式11中，令输出电流的阶跃变化量为1.5A，允许的输出电压变化量为10mV，可以计算出输出端的大容量电容容值为750 uF。因为当负载端需要的电流发生突变时，这些电流由大容量电容提供，因此要求大容量电容的ESR足够小才能使得电流经过ESR时的压降足够小。这里选择两个聚合物铝电容ECASD40E337M006KA0进行并联。每个电容的容值为330 uF，ESR为6 mOhms，额定电压为2.5V，此时，1.5 A输出电流引起的暂态响应为11.3 mV，略大于10 mV的目标值。

       利用公式12可以计算出当要求纹波电压为10mV时，滤波电容的容值需要大于15uF。其中，将5.6uH的电感值带入公式8中，可以计算出公式12中所需要的

的值。同时，根据公式13可知，当要求输出电压纹波小于10mV时，ESR的值需要小于20.8 mOhms。本文选择两个22uF的陶瓷电容使得TPS54302的输出纹波小于10mV。该电容型号为GRM21BR60J226ME39，1.2V电压时容值为18.8uF，封装0805，ESR为3 mOhms，根据公式15可知，每个陶瓷电容的RMS ripple current为69 mA，在Simsurfing软件中查看Temp.rise发现69 mA所引起的陶瓷电容温升几乎为0。

       前馈电容的选择

       由于两个22uF的陶瓷电容和两个330uF的聚合物铝电容并联之后，总的ESR只有1mOhms。为了提高交叉频率(crossover frequency)处的相位裕度(phase margin)，需要在电阻R2处并联一个前馈电容。根据公式14可以计算出交叉频率

为6 kHz，带入公式16中可知前馈电容C6容值为265 pF。本文选择GCM1555C1H271FA16D陶瓷电容，它的温度系数为C0G。

       总结

       要使得TPS54302输出电压的稳定度保持在1.2V±50mV内，需要考虑输出电压偏置、输出电压纹波、输出电压暂态响应及PCB线路压降。在本文的器件选择中，这四者的设计目标分别为10mV、10mV、10mV及6mV。这样，离FPGA对1.2V电源轨道的±50mV稳定度要求还有一定的余量。值得注意的时，在电容器件选型时，电容容值并不是恒定不变的，要考虑电容值随电容两端电压变化的情况。另外，推荐村田的Simsurfing软件，里面有每个电容的详细参数，这对设计来说帮助很大。 最后，由于本文作者水平有限，文中难免有不足之处，还望各位读者不吝指正，感谢！