由無線網絡和數據中心帶寬增加驅動的高性能FPGA和ASIC應用越來越多，需要具有高功率密度，快速負載瞬態響應和高效率的功率調節器。Xilinx Zynq UltraScale + RFSoC將多千兆採樣RF數據轉換器和軟判決前向糾錯（SD-FEC）集成到SoC架構中。新系列配備ARM Cortex-A53處理子系統，UltraScale +可編程邏輯以及Zynq UltraScale +器件中的最高信號處理帶寬，為無線，有線接入，測試和測量，早期預警/雷達提供全面的RF信號鏈，和其他高性能RF應用。但是，Zynq UltraScale + RFSoC的更高集成度對電源解決方案設計提出了挑戰。此外，RF數據轉換器的性能與其電源的噪聲水平緊密耦合。MPS電源模塊提供高效率操作和最小化電路板空間。本應用筆記概述了Xilinx Zynq UltraScale + RFSoC的電源解決方案設計。介紹了EVREF0102A參考設計電源，旨在為RF數據轉換器提供超低噪聲電壓。

電力架構

Zynq UltraScale + RFSoC的電源架構如圖1所示。如圖所示，RFSoC需要30多個電源軌。PL域中的電源軌用於RFSoC，PS域中的電源軌用於嵌入式臂核。整合電源軌以最小化所需的轉換器數量。MPS電源模塊解決方案最大限度地減少了PCB空間並簡化了電源設計。

圖1. Zynq UltraScale + RFSoC的MPS電源解決方案

每個電源軌的當前規格可能會有所不同，具體取決於RFSoC上將要運行的部件號和具體應用/程序。表1列出了Zynq UltraScale + RFSoC系列每個電源軌的典型電流要求。建議使用Xilinx功耗估算（XPE）工具來估算
優化電源解決方案設計的準確電流要求。除電壓和電流規格外，Xilinx FPGA電源軌的電源必須滿足以下要求：

• 在穩定狀態下，所有電源軌（模擬軌除外）的輸出電壓紋波必須小於10mV。
• 所有電源軌的啟動必須是單調的。
• 在100A /μs的25％負載瞬態期間，鐵心軌（VCCINT）的輸出電壓偏差必須小於±3％。
• 電源的開啟和關閉必須遵循Xilinx定義的特定順序。

*支持高達6V的輸入電壓，**支持12V輸入電壓。單擊“ 完全離散解決方案”。

表1. Xilinx Zynq UltraScale + RFSoC的MPS電源模塊解決方案

用功率模塊實現優化電源解決方案

MPS電源模塊提供高效集成的高度集成電源解決方案。圖2顯示了MPS電源模塊的典型結構，它將MPS專利的單片IC，電感器和選定的無源元件集成在一個模塑封裝中。這些元件採用Mesh-connect封裝技術安裝在引線框架上，可最大限度地降低功率IC /電感和PCB之間的熱阻。單片IC在單個矽片上集成了功率FET，控制電路和驅動器。單片技術可最大限度地降低驅動電路與功率FET柵極之間的寄生電阻和電感。隨後，開關損耗最小化。 

表1顯示了Xilinx Zynq UltraScale + RFSoC的MPS電源模塊解決方案。請注意，MPS提供了一個離散解決方案。

圖2. MPS電源模塊的典型結構

數字。圖3展示了Xilinx Zynq UltraScale + RFSoC的參考設計板（不包括RF數據轉換器軌）。參考設計板採用5個先進的電源模塊。該MPM3695-25是一個16V，20A電源模塊。核心軌使用兩個MPM3695-25，它們並聯連接，提供高達50A的峰值電流。單個
MPM3695-25為軌道2提供高達25A的峰值電流.MPM3695-10是一個14V，7A超薄電源模塊。所述MPM3632C是18V，3A被迫CCM電源模塊。

圖3. Zynq UltraScale + RFSoC的參考設計板

圖4.上電和下電序列

該MPM3606A是21V，0.6A電源模塊。同一系列還提供引腳兼容的電源模塊，包括1A，2A和3A電源模塊，為電源解決方案設計提供了極大的靈活性。完全驗證了參考設計的性能，以滿足Xilinx的要求。圖4顯示了上電和斷電序列的波形。

先進的MPM3695系列電源模塊集成了電感器，為FPGA和ASIC供電提供了通用的解決方案。MPM3695系列的輸出電流可通過堆疊多個MPM3695-25或MPM3695-10來擴展。與分立負載點（POL）解決方案，簡化的PCB佈局和功率級設計，最少的外部元件以及功率轉換器和補償網絡設計的最低專業知識相比，MPM3695系列的功率密度提高了60％。憑藉功率IC的單片結構和採用先進封裝技術的定制集成電感器設計，與競爭對手的電源模塊相比，MPM3695系列電源模塊可將佔位面積減少高達40％。

圖5和圖6分別顯示了在100μA/ s時25％負載瞬態和滿負載時輸出電壓紋波的負載瞬態波形。如圖所示，負載瞬態期間輸出電壓偏差低於±3％，穩態時輸出電壓紋波小於10mV。

圖5.鐵心軌的負載瞬態波形。

圖6.鐵芯軌的輸出電壓紋波。

用於ZCU1275的模擬電源模塊

Xilinx Ultrascale + RFSoC嵌入了高速模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC），需要超低輸出噪聲。與傳統的低壓差（LDO）穩壓器相比，開關電源（SMPS）具有高效率的優勢。由於其開關特性，SMPS在其開關頻率
及其諧波處發出噪聲。MPS電源模塊解決方案利用兩級CLC濾波器來最小化敏感ADC和DAC電壓軌的輸出電壓噪聲。EVREF0102A是為ZCU1275 Zynq UltraScale + RFSoC特性套件開發的RF數據轉換器電源模塊。圖7演示了EVREF0102電源模塊。

圖7. EVRF0102超低噪聲電源模塊

對於所有敏感的RF數據轉換器軌，輸出電壓噪聲低於1mV。EVREF0102A採用五個帶集成電感的高效降壓開關模式電源模塊。所述MPM3833C是6V，3A，超小型降壓電源模塊，並且MPM 3683-7是一個16V，8A電源模塊。兩種電源模塊均具有集成保護功能，包括OCP，OVP，UVP和OTP。與傳統的LDO解決方案相比，EVREF0102A可以實現高達80％的效率提升。EVREF0102A模擬電源模塊還通過利用強制連續導通模式（CCM）操作和實現後置無源濾波器，實現了超低噪聲，以滿足Xilinx高速數據轉換器的規格要求。CLC無源濾波器用於兩個最敏感的ADC和DAC軌，而電容濾波器用於其餘的電源軌。請參閱附錄以供參考。

圖8-11顯示了傳統LDO解決方案與MPS電源模塊解決方案之間的比較。實驗結果在Xilinx實驗室的ZCU1275開發套件上收集。如圖所示，MPS功率模塊解決方案的噪聲水平與傳統的LDO解決方案相當。