Points to note about FPGA power supply sequences (LDO)

Narrow down by specifying conditions

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Design Power SupplyAnalog Devices

FPGAなど多くの半導体デバイスは、複数の電源を必要とします。その際に、電源シーケンスを守ることを要求されるため、電源のオン・オフ制御ピンや出力コンデンサーのディスチャージ機能が必要となる場合があります。

今回は、LDOを使用した場合の注意点4つに絞って、説明致します。

An on/off function is essential for creating a sequence

最近のFPGAやDSPは、電源のオン・オフシーケンスを要求することが一般的です。オン・オフを制御するためには、電源IC（モジュール）にオン・オフ制御用のイネーブルピンが必要になります。安価なLDOには、オン・オフ制御用のピンが無い場合があるので選定には注意が必要です。

Article header library 128077 pic01 1 — Figure 1 : LDO without ON/OFF control

Rise time control

ソフトスタート機能があれば、立ち上がり時間の制御をおこなうことができます。しかし、LDOでソフトスタートの機能を持っている製品は少ないです。対策としては、出力のコンデンサーの容量で立ち上がり時間を制御する必要がでてきます。ただし、あまり大きなコンデンサーを付けてしまうと立ち下げ時に問題を引き起こしてしまいます。

Power down sequence

立ち上げシーケンスの規定は、よく知られています。しかし、立ち下げシーケンスに関してはあまり今まで注意されていませんでした。最近は、基板上に搭載される電源数も多く、立ち下り時のシーケンスも十分注意しないとラッシュカレントを流してしまうケースがあるため、立ち下げシーケンスも十分注意することが重要です。

シーケンスが必要な理由は、こちらの記事を参考にしてください。
電源シーケンスは必要ない？

立ち上がりシーケンスのため、LDOの出力コンデンサーを大きくして調整すると、立ち上げ時間を長くする観点では良いのですが、立ち下げの時間が長くなるため（コンデンサーの放電時間が長くなる）、立ち下げシーケンスに対して不利になるので注意が必要です。

Article header library 128077 pic02 1 — Figure 2 : Sequence diagram

LDO fall sequence

スイッチングレギュレーターは、Low SideのFETがOff時にディスチャージしてくれる場合、出力電圧が直ぐに落ちてくれるので、オフシーケンスも簡単に組めることもあります。しかし、LDOの出力側のディスチャージ機能は無いものがほとんどです。

そのため、出力コンデンサーを大きくすることによる、立ち上げシーケンス制御はお勧めできません。仮に必須になった際は、外付けにディスチャージ用の回路を追加する必要があります。

Article header library 128077 pic03 1 — Figure 3 : External discharge circuit

LDO with on/off function and discharge function

Analog Devices LDOs have an LDO like the LT3066 that has an on/off function (SHDN PIN in Figure 4) and a function to discharge the charge on the output section.

Article header library 128077 pic04 1 — Figure 4: LT3066 schematic

Figure 5 shows the waveform where the output voltage is quickly reduced to 0V due to the output discharge function.

Article header library 128077 pic05 1 — Figure 5: Discharge characteristics

This functionality allows for the FPGA to perform the required power-down sequence while simultaneously supplying clean voltage to the PLL and analog power supply via LDO products.