Требуется спроектировать подсистему питания для ПЛИС Xilinx типа Spartan-6 на основе модулей типа POL (Point-Of-Load).

Исходные данные:
1) линейка напряжений: 1.2В, 2.5В, 3.3В и 5В.
2) на плате есть 14-битные АЦП
3) габариты имеют значение.
4) питалово 24В.

Есть два вопроса:
1) Какие из модулей более всего подойдут в связи с возможными "подводными камнями" этих модулей? Может, кто-нибудь уже пользовал и может сказать что-нибудь хорошее/плохое про стабильность/рипл/эффективность/необходимость доп. фильтрации и прочее:
- LMZ14203 и др. ему подобные (National Semiconductor) - adjustable
- PTN78000 (PTN78060) (Texas Instruments) - adjustable
- MPDTY201S (Murata) - adjustable
- "TSR 1" (Traco Power) - fixed
- R-78xx-1.0 (Recom) - fixed.

2) Для такой специфической нагрузки (ПЛИС), есть ли разница, по какой архитектуре построить подсистему питания:
- с 24В первичным преобразователем в промежуточный уровень, например, 5В, а с него уже идут вышеназванные POL.
- все POL-модули работают с первичного уровня питания 24В.

3) Учитывая наличие на плате 14-битных АЦП, насколько необходимо на входы/выходы POL'ов довешивать доп. LC-фильтры.

С нетерпением жду ваших ответов. Влад.

А судьи..., пардон, ТОКИ кто? По выходу .

Желательно эту тему подклеить к Питание ПЛИС

это правильный путь
не правильно, КПД POL будет очень низким при большой разнице между входным и выходным напряжением

Если частота преобразования POL высокая (условно предположим >300КГц), то можно и фильтрами обойтись, если низкая - желательно последовательно с POL включить быстродействующий LDO с высоким PSRR.

Каждой твари (Vout) по паре (ампер).

Тогда типовое решение - стабилизатор на 5Вх5А со входного 24, а далее, с 5 вольт - синхронные понижалки на весь зоопарк напряжений. Где-то, в относительно маломощном канале можно и линейный стабилизатор посмотреть
Да. двойное преобразование. Да, громоздко, но это просто в наладке и надежно в работе. Стабилизатор на несколько хорошо стабилизированных выходов на одном моточном я пока не встречал.

Microwatt

Как вам вот такое решение (как пример):
1) 24->5V: THN 15-2411 (Traco Power)
2) 5->зоопарк: EN5364QI 3 штуки в синхре (Enpirion).

Плюсы: Traco заизолированный; это вроде как одно из самых компактных решений; Enpirion стоит дешево.
Минусы: Traco всего 15 Вт дает, в таком корпусе 20-ваттный предложений в России мало. Да и ripple у него на выходе гигантский (до 100 мВ), тогда как 10 - сегодня уже норма.

Компактное решение №2.

Без первичной понижалки зафигачить 4 штуки LTM4612.
Минусы: 1) эффективность всяко будет на уровне не больше 70%, если понижать с 24 до 1.2 (о, ужас!), но почему бы и не пренебречь? Тепло рассеет и хрен с ним. 2) Дорогой, как самолет.
Плюсы: компактность.

LTM4612 не умеет делать 1,2V, не меньше 3,3. ИМХО делать из 24->1.2 не очень хорошо, из-за того что стабилизатор работает с очень маленьким коэффициентом заполнения (1/20). Из-за этого будет низкая точность стабилизации, повышенные пульсации.

Тогда уж лучше сделайте 24->3.3. А потом из 3,3В, все остальное. Последнее время 5В уходит в эпоху динозавров, основное напряжение это получается 3,3В. Почти все цифровые микросхемы от него питаются. Пардон, не видел что вам 5В нужно... Хотя мне пару раз приходилось ставить повышающий из 3,3 в 5, для питания пары малоточных микросхем. Оказалось дешевле для них выделить отдельный, маленький преобразователь чем городить мощный на 5В, а потом за ним опять мощный 3,3В.

Раз уж вам развязка не нужна, вместо Traco 24->5 ставьте LTM8027 - 60V, 4A DC/DC μModule Regulator. Далее на цифровые питания можно поставить Enpirion, а на аналоговые - LDO типа LT1763.

Можно еще ST1S10 глянуть. недорого. Из 5 вольт понаделает всего.

Надо в 5, потому что хочу из 5 получить 3.3 LDO-м для питания АЦП. А получать 3.3 из 24, чтобы его повышать в 5 и оттуда снова в 3.3 - не охота городить огород. Хотя, если возьму АЦП с питанием 1.8, то может и будет 3.3 промежуточный, еще буду подумать.



Почитал на сайте, что большая статистика умираемости у этого девайса Воздержусь-ка я пока от него.



Короче, родил пока следующие компактные синхронные решения получения конечного ряда power rails для питания FPGA из промежуточного 3.3/5 (не все POL, но и хрен с ним, уже смирился):
1) Enpirion ENxxxx- 3 шт. Минус: stable при емкости нагрузки меньше 100 мкФ (POL).
2) Linear LTCxxxx - 3 шт. Минус: low efficiency в режиме light-load (POL).
3) Texas PTH04(08)T(230)260 - 3 шт. Минус: габариты (POL).
4) Analog Devices ADP2114 - 2 шт. (он 2-канальный). Минусы: внешние индукторы.
5) Maxim MAX17019 - 1шт. (3-канальный DC-DC). Минус: внешние индукторы и ФЕТы в одном канале.
6) Texas TPS54218, TPS54318, TPS54319, TPS54418. Минусы: внешние индукторы.

6) National LM26420 - 2 шт. Минус: внешние индукторы и извне НЕ синхронизируются, но, за счет большой частоты ШИМа, думаю, можно поставить два рядом не синхронных. Или нежелательно?

Ребята, кто бы выбрал какой вариант, исходя из своего опыта?

Хм... а как можно построить импульсный стабилизатор без индуктора?
Вам нужна схемотехника стабилизатора или набор готовых DC-DC? Так внутри у них тоже дроссели имеются. Обязательно.
Ели готовые стабилизаторы - в каталог какой-нить фирмы, заказать, прикупить и тогда обсуждать тут практически нечего..
Если самому создать стабилизатор на много выходов, то уже все вроде обсудили: делаем из 24 вольт 5, потом, из 5 вольт, все остальное синхронными понижалками. Кое-где и линейный стабилизатор может сойти.
Сама задача как-то размыта, по крайней мере, мне так показалось...

Microwatt
Поясняю задачу:



Это ключевое требование к построению подсистемы, так сказать - стратегия поиска.
Индукторы внешние/внутренние - это уже имеет второстепенное значение, главное, чтобы "влезло". Разумеется, без индукторов никак нельзя. Нить моих рассуждений по выбору вышеуказанных схемных решений основывалась на следующей логике:
1) все модули - POL (со встроенным индуктором)
2) если все не удается сделать POL, пусть некоторые будут POL, остальные - с внешним индуктором
3) DC-DC преобразователи "на рассыпухе" сделать по возможности на большой частоте преобразования (чтобы снизить размер индуктора) с минимумом обвязки (без цепей компенсации и т.п.).


Все. Несколько полезных советов участники обсуждения мне дали. Я их подумал, учел. На основе полученной информации выбрал несколько решений. Я не утомляю вас подбором для меня максимально надежного схемотехнического решения, которое "влезет" в XXX см2. Я сам подумал и выбрал несколько. Далее выбор единственного из них представляет для меня НЕТРИВИАЛЬНУЮ задачу.
Возможно, кто-то сразу скажет, что здесь вот такие-то подводные камни, тут вы, батенька, огребете следующие проблемы, тут возможны еще вот такие косяки.
Понятно, что при прямых руках оно все заработает как надо, это даже не обсуждается. Поэтому я спросил прямо и не двумысленно: вот семь вариантов, выберете исходя "из опыта". Вот запереть вас в мастерской, дать комплектуху, чтобы все заработало с 1-го раза без макеток в проекте, предоставить мало времени на наладку, какое решение вы выберете (с мотивацией). Надеюсь, понятно изложил. Когда не хватает своего опыта, приходится прибегать к чужому и статистике. Возможный круг решений я сузил, теперь прибегаю.

Я понимаю, что в моей просьбе есть что-то "от лукавого", но тем не менее - если перед квалифицированным инженером встанет подобная задача, он проанализирует сабж и выберет единственное решение. Если мне оно сразу не видно, возможно, кто-то сразу скажет, мол, я бы сделал так-то (для себя, на вашем месте и т.п.).

Про первичный стабилизатор, ST1S10, линейный, повышающий и синхронные стабилизаторы я информацию получил и обработал. Теперь следующий этап поиска. С моим непосредственным участием, вашей и Божьей помощью

А давайте термин POL употребим правильно.
Это аббревиатура от "point of load" означает "точка нагрузки", т.е. система питания при которой DC-DC стабилизаторы устанавливаются в непосредственной близости от нагрузки, нет протяженной стабилизированной шины и питания нескольких нагрузок от одного стабилизатора.
К встроенному или внешнему индуктору это отношения не имеет.

В плане самообразования, система "point of load" какие имеет преимущества перед обычной?
Сразу вижу только независмость питаний (взаимовлияния) и не нужна толстая дорожка. С другой стороны, протяженная шина питания работает как индуктивность и уменьшает шум от источника.

Может, и уменьшает. Может, и имеет преимущества. Но мне так и не удалось узнать разницу между POL-модулями и не-POL-модулями, исходя из анализа даташитов.

Microwatt

Давайте определимся. Хорошо, что определились. Я это определение читал раньше, но что-то до меня не допер его смысл. Почему одни модули - POL, а другие - просто модули? Параметры модулей вроде бы одинаковые, POL они или не POL. Аббревиатура POLA для меня - загадка. Поэтому я использовал термин POL = "модуль все-в-одном". Не будем использовать термин POL. POL или POL мне не важно: у меня всего один спартан и пара АЦП, сгодятся и POL.

Разные производители используют для обозначения модулей "все-в-одном" разные термины: некоторые называют данные сборки просто "DC-DC converter" (Traco Power, Murata, Recom или Enpirion), "µModule" (Linear), "Power Module" (National) или "Plug-in Power Module" (Texas). Будем использовать термин "модуль", если это важно.

POL- системы начали распространяться относительно недавно. Этому способствовало снижение стоимости импульсных источников, повышение степени интеграции.
Качественным может быть импульсный стабилизатор на одно выходное напряжение. Все попытки сделать два и более выходов - компромиссные решения меж стоимостью системы питания и ее качеством.
Отдельные каналы стабилизации дают качество питания, точную защиту от перегрузок, хорошую динамику по каждому каналу, лучшие условия охлаждения, возможность модернизации системы питания, облегчают диагностику.
Шина питания может быть выполнена не так тщательно, потери и переходные процессы в ней при распределенной стабилизации существенной роли не играют.
Что до индуктивности шины питания, то этой проблемы вообще не существует. Я не встречал каких-либо трудностей.
Индуктивности до единиц микрогенри вполне парируются входными фильтрами DC-DC. Шумы? Неоткуда им в линии браться. Это все на совести выхода DC-DC.


Ну. "все в одном" оно тоже имеет название "silver box" - "серебристый ящик". Оно и появилось одновременно с POL, как противовес, как два разных подхода к системе питания с несколькими выходами.

Может она и на совести DC-DC, но шумят все (с которыми дело имел ). Для уменьшения шумов ставлю емкости вдоль шины и феррит-биды - эффект заметен на осциллографе очень хорошо - до и после. Токи у меня не большие - 0,5А, да и электролиты сейчас на 4700 мкф вполне доступны и компактны, поэтому НЧ проседаний практически нет. Чем такой электролит хуже POL?

Похоже, Вы мыслите масштабами даже не плательного шкафа, а платы 100х100мм. Употребление 4700мкФ для 0.5А - это подтверждает.
А если точки потребления от источника разнесены на десятки-сотни метров? Там не "НЧ - проседания", там простые омические потери в кабеле 20-30% напряжения источника могут "съесть". Потому, для таких систем, единственный выход - местная стабилизация и преобразование напряжений.
Даже 50см становятся серьезной проблемой при токах в 30-50-80А и неапряжениях в пару вольт. Поэтому, такой стабилизатор выгодно располагать как можно ближе к месту потребления. а подвод энергии сделать нестабилизированным повышенным напряжением 24-60вольт.

Вас понял - масштабы у меня действительно иные. Согласен, для 100А и 100 метров длины POL очень интересны. А я больше похож на сороку - "тащу все что блестит"

Господа Участники и Модераторы, Местные и Гуру.
Я мыслю категориями платы 100х100мм, помогите мне решить мою проблему, сформулированную в этом посте, ради чего эта ветка и создавалась. Если есть желание. Я просто напоминаю. Достаточно просто выбрать вариант, и, по возможности, аргументировать. Если не сложно.

На мой туповатый взгляд у Вас несколько странные требования:
"линейка напряжений: 1.2В, 2.5В, 3.3В и 5В." и 2А каждому для питания FPGA и ADC. Посмотрите внимательно, возможно 2.5В это питание PLL и 2А там совершенно не требуется? Также вероятно, что по 3.3В у Вас ток гораздо меньше. И уж совсем не понятно, кто потребляет 2А по 5В ?
Что касается Вашего выбора, то мне больше нравятся (чисто теоретически)

"6) National LM26420 - 2 шт. Минус: внешние индукторы и извне НЕ синхронизируются, но, за счет большой частоты ШИМа, думаю, можно поставить два рядом не синхронных. Или нежелательно?"

Обвязки меньше и корпус с "человеческим лицом"

Взгляд у вас совершенно адекватный. Это я не объяснил, почему именно 2А на все напруги:
- на 2.5 сидит не только ПЛЛ, но и ДДР (т.е., питание ВЦЦИО ПЛИС, ИО ДДР и терминаторов), - в сумме с запасом взял 2А. Вроде реально.
- на 5 (с понижением ЛДО-ми в 3.3) сидят 8 шустрых АЦП и 8 жадных ОУ, - в сумме на макс. режиме ампер-то они едят, а 2 это я, наверное, от жадности, с запасом взял. Ну 1.5 пусть будет. Разницы нет большой ИМХО
- на 3.3 2А для моих задач, вероятно, будет тоже с немалым запасом. Я ориентировался на две рекоммендации (уже не помню каких производителей) о рекоммендуемых источниках питания на самый "толстый" спартан-6: в них упоминались одинаковые цифры 3А, 3А и 2А для напряжений 1.2В, 3.3В и 2.5В, соответственно. Поскольку проект ПЛИС еще не готов и точно используемые ресурсы ПЛИС подсчитать я не могу, и отдавая себе отсчет себе в том, что максимальное количество "ног" в ПЛИС использовать не придется (но половину точно), снизил планку 3А в 2А. Такая логика.

Кстати, помимо "цифры" и "аналога", на плате есть еще куча всяких потребителей. Поэтому, думаю, лучше перебдеть )

P.S. Респект за голос!