于从+5V输入产生四个电源电压的单芯片解决方案。网站www.intersil.com/Xilinx或www.intersil.com/Altera提供了详细图解。ISL6521同步降压调节器包括三个线性调节器/控制器，它可以给电路板提供额外的电压。120mA以下的I/O和IAUX电流可以直接从线性调节器输出管脚(如图所示的2.5V和1.8V)提供。另外，它们还可以用来控制外部晶体管(如此处所示的3.3V)。所有输出电压都可以使用电阻分压器进行全面调整。

ISL6521在接通输入电源时会自动初始化。通电重设(POR)功能会继续监视VCC管脚处的输入偏置电源，POR功能会在偏置电源电压超过其POR阈值时初始化软启动操作。所有电压都会在不超过40ms单调降低，这通常是FPGA的要求。

电流IC和模块技术可以在单个IC上的每个输出之间或者在单个封装内获得非常好的隔离。板级电源耦合很可能是因为外部元件的选择不佳和布局错误，而不在于两个电源共享一个IC。

本示例假设有一个+5V的电源，所选的FPGA需要在电流为2A时核心电压为1.2V。根据几个基本降压转换器原则来选择开关元件以支持FPGA核心启动。首先，产生想要的输出电压所需的工作周期取决于最大开关调节器IC。降压转换器的工作周期(d)定义为：d=V_OUT/V_IN (1)

针对这个设计示例，得到的工作周期是24%。ISL6521支持工作周期在0%至100%范围内的操作，但是输出电压范围限制在0.8V至4.5V之间。不是所有控制器都支持整个工作周期范围，当处理电压为输出电压范围的两极端值时的负载瞬态时，这个问题就出现了。

FPGA核心电压对准确性的要求视产品系列和提供商而不同。本示例假设FPGA核心电压的所需准确度为+5%或者电压为60mV，这也是标准情况。该电压应与控制器的输出电压调节(2%或者24mV)进行比较。如果控制器IC的输出电压调节大于FPGA的核心电压所需的准确度，则该控制器无法满足FPGA要求。

FPGA所需的准确度和PWM的输出电压调节之差使得输出电压窗口能够支持开关电源的输出电压脉动和允许的瞬态偏差。可用的输出电压窗口就计算出来了：

电压窗口=(所需准确度-输出电压调节)×VOUT (2)

这个示例中，电压窗口为36mV。接下来选择峰到峰输出电压脉动，选定一个合理的值10mV。输出电压脉动必须落在所计算出的电压窗口内，或者需要一个调节容差较小的控制器。选择较大的输出电感器或较低的等效串联电阻(ESR)输出电容器可以减小输出电压脉动。

一旦输出电压脉动设定，瞬态输出电压窗口就会设定输出电容器的最小ESR要求。瞬态窗口接近FPGA核心电压1.2V，并且限制了每个方向的输出电压的瞬态摆幅。输出电压会下降以适应输出电流中的正阶跃。该压降不得超过瞬态输出电压窗口。因此，假设瞬态输出的转换率可以忽略，则目标输出电容器ESR计算公式(ES_MAX)为：

ESR_MAX= (电压窗口-[脉动/2])/(I_STEP) (3)

其中，I_STEP为负载在输出电流中的最大阶跃变化。当负载在同一阶跃大小处下降时，反之亦然。可以运行FPGA电源计算器以用于“前后转换”状态，从而计算应有的电流变化。请记住正负电源变化都必须考虑在内，以确保设计可以维持FPGA所需的电压调节。对于一个简单的最坏情况分析，会使用等于最大输出电流的负载阶跃。对于2 A阶跃的设计，最终的目标输出电容器ESR为15.5 mΩ。在选定输出电容器之前，设计所需的最小电感必须计算出来：

L_MIN=[ESR×V_OUT×(1 - d)]/(Fsw×脉动) (4)ISL6521的开关频率(Fsw)为300 kHz。此设计最终的最小电感为4.56μH。电感器的容差通常为10%至20%，并且电感器应大于所计算出的最小值，以支持此容差。此设计选定的电感器L_OUT为Toko D104C 系列部件，其规格为：6.4μH、5.2A、22.9mΩ DCR和SMD。

最后计算出了此设计所需的最小输出电容。前面计算出来的ESR_MAX值和最小输出电容值规定了满足电压容差规格和瞬态响应所需的输出电容器的类型和最小数量。此设计的最小输出电容为324μF：

C_{OUT MIN}=[L_OUT×(电流阶跃)²]/[(电压窗口-脉动+VOUT)2 -V_OUT²] (5)

基于这些要求，松下EEFUE0D391R专业铝合金电磁芯片电容器支持这些要求。请参阅ISL6521数据表以了解有关PWM控制器补偿的说明。

最大的元件选择难题在于电源MOSFET的选择。电源耗损和封装选择决定了这个流程。传导损耗和开关损耗构成了电源耗损。根据工作周期，这些损耗分布在高端和低端MOSFET之间。

传导损耗是低端MOSFET的电源耗损主要组成部分。只有高端MOSFET的开关损耗比较大，这是因为电源设备打开和关闭时的电压接近零。ISL6521数据表提供了计算这些损耗的等式。其他选择条件包括封装尺寸，它同时影响电路板面积和电路板的厚度。通常，一个八根引线的SOIC封装可以支持不超过10A的设计中的电源、成本和空间限制。控制器IC的线性部分的电源设备选择主要取决于R_DS(ON)、电流增益和热注意事项。内部驱动器可以提供多达120mA的负载电流，不带外部传输设备。基于此电流驱动能力，外部双电路板NPN晶体管可以支持多达3A的负载。选择晶体管的主要标准在于封装的有效散热。线性调节器损耗的功率为：

Power_Linear=I_OUT×(V_IN-V_OUT) (6)

选择一个允许的环境温度最大，并且可以将接点温度维持在封装额定温度之下的封装。在给定工作电压V_CE下的电流增益必须足够大，以便在基底的最小驱动器输出电流为100 mA时能够提供所需的最大输出负载电流。

作者：John Krehbiel，Ross Staffhorst，Intersil公司