使用航天级电源元件为 AMD Kintex XQRKU060 FPGA 供电
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摘要
本应用手册为 AMD® Kintex®UltraScale™ XQRKU060 FPGA 提供了推荐的航天级电源设计。该报告概述了针对各个电源轨的建议以及耐辐射 (-SP) 和抗辐射 (-SEP) 器件的优势。然后，针对每个不同的电源设计变体提供了示例电源方框图，其中包括 5V 和 12V 输入。
商标
UltraScale™is a TM ofXilinx.
AMD®is a reg TM ofAMD.
Kintex®is a reg TM ofXilinx.
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1 简介
随着航天应用中对更多板载处理和编程功能的需求的不断增长，FPGA 架构技术不断取得发展。比如，AMD 的 XQRKU060 FPGA 已广泛用于不同的卫星有效载荷。随着新 FPGA 的开发，电源要求不断演变，需要更高的电流和更低的电压。为 XQRKU060 供电的设计必须能够满足这些更高的要求，并且能够耐受太空的恶劣环境。
本应用手册介绍了 TI 具有经验证的辐射性能的两个产品级别，并提供了选型指南，用于比较每个流程中不同的电源管理器件。本报告还介绍了航天级电源管理产品系列可为整个系统带来的价值，并提供了耐辐射和抗辐射实施的示例电源图。
2 航天鉴定流程概述
TI 通过提供符合 MIL-PRF-38535 规范的密封 QMLV（合格制造商名单，V 级）和 RHA（耐辐射加固保障）元件，为航天行业提供了长期的支持。除了鉴定标准，这些器件通常还配套提供全面的总电离剂量 (TID) 和单粒子效应 (SEE) 辐射报告，这些报告可在每个器件的产品文件夹中随时获取。TI 通过对密封 QMLV 器件的持续和全新开发，继续支持可靠性极高的航天应用。
但是，随着发射成本的降低和预算的紧缩，这使得新的商业和政府应用的卫星制造方法有所不同。为了提供设计，TI 通过采用抗辐射增强型航天塑料（用 -SEP 表示）封装的日益丰富的器件产品系列提供了更具成本效益且更小的设计，以满足 LEO 和 MEO 星座的更低保证要求。表 2-1 概述了增强型航天塑料和 QMLV-RHA 之间的区别。有关 TI 抗辐射器件航天鉴定流程的更多信息，请参阅如何借助增强型航天塑料封装产品降低近地轨道任务的风险。
| 抗辐射 (-SEP) | 耐辐射 (-SP) | |
|---|---|---|
| 封装 | 塑料 | 陶瓷密封 |
| 单受控基线 | 是 | 是 |
| 符合 DLA 规范，锡含量低于 2% | AU | AL |
| 生产老化处理 | 否 | 是 |
| 典型的温度范围 | -55°C - 125°C | -55°C - 125°C |
| 辐射：TID 特性 | 30 至 50krad(Si) | 100krad(Si) |
| 辐射批次验收测试 (RLAT) | 20、30 或 50krad(Si) | 100krad(Si) |
| 辐射：SEE 特性 | 43MeV-cm2/mg | 75MeV-cm2/mg |
| 根据 ASTM E595 进行了释气测试 | 是 | 不适用 |
| 批次级别温度周期 | 是 | 是 |
| 每管、托盘或卷带单批次日期代码 | 是 | 是 |
| 每批次晶圆的生命周期测试 | 否 | 有 |
3 航天级电源器件
TI 先进的功率密度 IC 产品系列能够通过一系列降压转换器、LDO、DDR 终端稳压器、PWM 控制器和栅极驱动器提供完整的电源管理设计，如表 3-1 所示。
TPS7H4001-SP 和 TPS7H4003-SEP 是具有集成 FET 的高电流 (18A) 降压转换器，其主要特性是能够在不需要外部时钟的情况下以 90 度的角度并联多达 4 个器件，从而满足对内核电源轨上更高电流的日益增长的需求。0.6V 基准电压使其能够满足该电源轨常见的低压要求。TPS50601A-SP 是一款小型 6A 高效降压转换器，传承了十年以上的航天飞行技术，可用于为许多辅助电源轨供电。封装兼容的 TPS7H4002-SP 还可用于为辅助电源轨供电，因为它在架构上与 TPS50601A-SP 非常相似，具有较低的电流限制以实现更小的电感器尺寸。对于类似的 6A 抗辐射设计，TPS7H4010-SEP 提供了一个采用 4x6mm WQFN 封装的极其紧凑的设计，并且是具有超宽 Vin（达 32Vin）的航天级开关稳压器。
RHA 降压转换器的推荐工作电压限制通常为 7Vin。如果设计人员需要适应更高的输入电压，可使用 TPS7H5001-SP 或 TPS7H5005-SEP PWM 控制器构建分立式降压转换器。这款高度灵活的控制器搭配栅极驱动器，能够与 Si 和 GaN FET 配合使用，以用作第一级转换或在直接为内核电压轨供电的高效 GaN 电源中使用。具有 +0.7%/-1.0% 基准精度的 0.6V 基准可提供非常小的容差来满足内核电压要求。TPS7H6003-SP 是一款用于驱动 eGaN FET 的半桥栅极驱动器，可与控制器配合使用。该驱动器在低侧和高侧集成了具有 5 V 输出的 LDO，以便能够正确控制栅极驱动电压，并添加了输入互锁保护来防止击穿事件，从而实现高度可靠的设计。
对于噪声敏感型电源轨，TI 可提供多种低压降稳压器。TPS7H1101A-SP 提供高度集成的设计，具有使能端、可配置软启动和电源正常指示功能，可用于电源时序，并增加了电流折返保护等保护功能。作为抗辐射替代产品，TPS73801-SEP 采用 6.5mm x 3.5mm 小型塑料 SOT 封装，并提供了可在宽输入电压范围 (2.2 - 20Vin) 内使用的多用途 LDO。TPS7H1111-SP 和 TPS7H1111-SEP 可用作需要高 PSRR 和噪声性能的应用的替代产品。
最后，针对为 DDR 存储器供电，TPS7H3301-SP 或 TPS7H3302-SEP 是能够灌入和拉出电流的线性设计，能够为 DDR1、DDR2、DDR3、DDR3L 和 DDR4 供电。您可以使用 表 3-1 中的链接转至每个器件的产品页面，了解更多特定于产品的信息。
| 功能 | 输入电压范围 (V) | 最低 Vout (V) | 输出电流 (A) | |
|---|---|---|---|---|
| TPS50601A-SP | 降压转换器 | 3 - 7 | 0.8 | 6 |
| TPS7H4002-SP | 降压转换器 | 3 - 7 | 0.8 | 3 |
| TPS7H4001-SP | 降压转换器 | 3 - 7 | 0.6 | 18 |
| TPS7H1101A-SP | LDO | 1.5 - 7 | 0.8 | 3 |
| TPS7H3301-SP | DDR 终端稳压器 | 2.3 - 3.5 | 0.5 (VTT) | 3 |
| TPS7H5001-SP | PWM 控制器 | 可扩展 | 0.6 | 可扩展 |
| TPS7H6003-SP | GaN 半桥驱动器 | 可扩展 | - | - |
| TPS7H4010-SEP | 降压转换器 | 3.5 - 32 | 1 | 6 |
| TPS7H4003-SEP | 降压转换器 | 3 - 7 | 0.6 | 18 |
| TPS73801-SEP | LDO | 2.2 - 20 | 1.21 | 1 |
| TPS7H3302-SEP | DDR 终端稳压器 | 2.3 - 3.5 | 0.5 (VTT) | 3 |
| TPS7H5005-SEP | PWM 控制器 | 可扩展 | 0.6 | 可扩展 |
有关满足直流和交流调节要求的更多详细信息，请参阅以下白皮书：为新时代的高性能太空级 Xilinx FPGA 供能。
4 示例电源图
以下各节提供了两个示例电源图。一个部分采用适用于传统航天应用的耐辐射密封器件，另一个部分采用适用于新航天应用的增强型航天塑料封装器件。
4.1 适用于 XQRKU060 的耐辐射电源
图 4-1 展示了电源管理设计的示例电源图，该设计能够在 TID 性能方面满足 100krad(Si) 要求，并且 DSEE 抗扰度为 75MeV-cm2/mg。
图 4-1 适用于 XQRKU060 的耐辐射电源