ZHCADB9 November 2023 TPS50601A-SP , TPS73801-SEP , TPS7H1101A-SP , TPS7H3301-SP , TPS7H3302-SEP , TPS7H4001-SP , TPS7H4003-SEP , TPS7H4010-SEP , TPS7H5001-SP , TPS7H5005-SEP
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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。
UltraScale™is a TM ofXilinx.
AMD®is a reg TM ofAMD.
Kintex®is a reg TM ofXilinx.
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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。
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 |
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。
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。
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。