選擇正確的方式為我們項(xiàng)目中的 FPGA 供電

1. 前言

FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

2. 如何為FPGA供電

當(dāng)我將現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 連接到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出端時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在 DC/DC的 無(wú)法啟動(dòng)。當(dāng)我用示波器觀察電路時(shí)，我看到了圖 1。輸出電壓只是沒(méi)有進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)。什么地方出了錯(cuò)？

圖 1：由于該 FPGA 的高啟動(dòng)負(fù)載和非常高的去耦電容，DC/DC 轉(zhuǎn)換器無(wú)法調(diào)節(jié)其輸出電壓

FPGA 對(duì)其電源提出了一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。例如，F(xiàn)PGA 供應(yīng)商通常需要在其輸入電源上使用數(shù)百甚至數(shù)千微法拉 (μF) 的去耦電容，以在 FPGA 產(chǎn)生的不同頻率瞬變之間維持所需的 FPGA 電源電壓調(diào)節(jié)，并減少紋波在電源電壓上。

許多 FPGA 還需要特定的啟動(dòng)時(shí)間（不太快也不太慢）和啟動(dòng)單調(diào)性（V OUT在沒(méi)有任何向下移動(dòng)的情況下沿直線達(dá)到其設(shè)定點(diǎn)）。

除了與 FPGA 相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，越來(lái)越多的 FPGA 設(shè)計(jì)人員還必須為他們的 FPGA 設(shè)計(jì)電源。

作為 FPGA 專家，其中許多設(shè)計(jì)人員在電源設(shè)計(jì)方面經(jīng)驗(yàn)不足，因此需要一個(gè)非常簡(jiǎn)單的電源——電源模塊是顯而易見(jiàn)的選擇。

電源模塊通過(guò)集成許多或所有所需的無(wú)源元件來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性。需要選擇的組件更少，設(shè)計(jì)時(shí)間更快更簡(jiǎn)單?？刂苹芈费a(bǔ)償是首先集成到電源模塊中的功能之一，但這限制了設(shè)計(jì)的穩(wěn)定范圍——而且由于電容很大，內(nèi)部補(bǔ)償?shù)碾娫茨K可能不穩(wěn)定。

有關(guān)穩(wěn)定性的指導(dǎo)，請(qǐng)參閱器件數(shù)據(jù)表和應(yīng)用筆記。TI 的許多TPS82xxx電源模塊中使用的DCS-Control拓?fù)浞浅７€(wěn)定，支持各種輸出電容。

非常小的電源模塊尺寸意味著可以使用的引腳更少。更少的引腳意味著更簡(jiǎn)單的設(shè)備，但也意味著更少的功能。電源模塊中通常集成的另一個(gè)特性是軟啟動(dòng) (SS) 時(shí)間。此時(shí)間在某些電源模塊（如TPS82085）上內(nèi)部設(shè)置，但可通過(guò)其他電源模塊（如TPS82130）上的電容器進(jìn)行編程?？删幊?/span> SS 時(shí)間通常是滿足特定啟動(dòng)時(shí)間要求所必需的，這對(duì)于啟動(dòng)連接所有電容的電源模塊非常有幫助。

TPS82084/5 是經(jīng)優(yōu)化的 2A/3A 降壓轉(zhuǎn)換器 MicroSiP?模塊，兼具小型解決方案尺寸和高效率優(yōu)勢(shì)。該電源模塊集成有同步降壓轉(zhuǎn)換器和電感，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少外部元件并節(jié)省印刷電路板 (PCB) 面積。該器件采用緊湊的薄型封裝，適合通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)組裝。

為了最大限度地提高效率，該轉(zhuǎn)換器以 2.4MHz 的標(biāo)稱開(kāi)關(guān)頻率工作在脈寬調(diào)制 (PWM) 模式下，并且會(huì)在輕負(fù)載電流時(shí)自動(dòng)進(jìn)入節(jié)能工作模式。在節(jié)能模式下，器件的工作靜態(tài)電流典型值為 17μA。憑借 DCS-Control 拓?fù)?，該器件可?shí)現(xiàn)出色的負(fù)載瞬態(tài)性能和精確的輸出穩(wěn)壓。器件的 EN 和 PG 引腳支持順序配置，可帶來(lái)靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。集成的軟啟動(dòng)功能降低了輸入電源需要提供的浪涌電流。過(guò)溫保護(hù)和自動(dòng)切斷短路保護(hù)功能使得該解決方案穩(wěn)健而可靠。

薄型 MicroSiP?電源模塊

DCS-Control 拓?fù)?

效率高達(dá) 95%

17μA 工作靜態(tài)電流

-40°C 至 125°C 工作溫度范圍

斷續(xù)短路保護(hù)

2.5V 至 6V 輸入電壓范圍

可調(diào)輸出電壓：0.8V 至 VIN

可實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載效率的省電模式

可實(shí)現(xiàn)最低壓降的 100% 占空比

輸出放電功能

電源正常狀態(tài)輸出

集成軟啟動(dòng)，并支持預(yù)偏置啟動(dòng)

3.解決問(wèn)題

但是讓我們回到出了什么問(wèn)題。在圖1所示的波形中，驅(qū)動(dòng)FPGA及其電容時(shí)DC/DC轉(zhuǎn)換器無(wú)法啟動(dòng)。本文解釋了詳細(xì)信息，但這里是解決問(wèn)題的各種方法的簡(jiǎn)短摘要：

· 使用電阻器、電容器、二極管 (RCD) 電路延遲啟動(dòng)斜坡。

· 切換到帶有 SS 引腳的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以編程 SS 時(shí)間。

· 使用負(fù)載開(kāi)關(guān)將 FPGA 與 DC/DC 去耦。