FPGA電源需求中三種供電要求解析方案

目前越來(lái)越多的家用電器從低速的撥號(hào)上網(wǎng)向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)接入或互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視(IPTV)轉(zhuǎn)移，尤其是IPTV有望在中國(guó)獲得快速的發(fā)展。比較而言，IPTV的基礎(chǔ)設(shè)施成本相當(dāng)?shù)?，因?yàn)檫@種方法不需要銅軸電纜，而是采用DSL或?qū)拵ф溄雍蜋C(jī)頂盒將節(jié)目流傳送到家用電器。

現(xiàn)在的可編程門(mén)陣列(FPGA)已經(jīng)被證明是這種平臺(tái)的理想選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┝丝焖俑淖兪袌?chǎng)需求的靈活性。FPGA的電源需求通常很復(fù)雜，因?yàn)镕PGA有多達(dá)三種供電要求，為了實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)性能，必須對(duì)這些要求排序。

內(nèi)核電壓

內(nèi)核電壓軌通常設(shè)定成VCCINT，為FPGA邏輯供電。要求的電流從幾百毫安到幾十安培，具體大小取決于時(shí)鐘頻率和所用的門(mén)數(shù)。因?yàn)樵撠?fù)載是呈高度容性，內(nèi)核電壓電流要求可能在開(kāi)始的時(shí)候很高。FPGA內(nèi)核對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)的要求很?chē)?yán)格，內(nèi)核電源電壓必須緩慢增加并且常常要求在固定的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)上升到穩(wěn)定的電壓。例如，Xilinx公司的Virtex-4必須讓VCCINT電源在0.2ms和50ms之間上電。

I/O電壓

I/O電壓(VCCIO)通常要求的電壓軌是3.3V、2.5V、1.8V或1.5V。I/O標(biāo)準(zhǔn)可以由FPGA中的I/O模塊獨(dú)立設(shè)置，因此一個(gè)FPGA就有可能存在一個(gè)以上的I/O電壓。I/O電流要求取決于所用的I/O數(shù)量和時(shí)鐘速度。通常，I/O電流要求低，范圍在幾百毫安到3A。

輔助電壓

輔助電壓(VCCAUX)要求電源具有高電源抑制比(PSRR)，因?yàn)殡娫粗苯优c數(shù)字時(shí)鐘管理(DCM)相連。如果電源噪聲被容許耦合到DCM，將可能影響到系統(tǒng)的性能。

雖然I/O和輔助電壓不需要按照特別的順序上電，但是，F(xiàn)PGA制造商常常要指定內(nèi)核和I/O的上電順序或跟蹤該順序。不指定上電順序或不跟蹤上電順序所面臨的后果是常常會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的器件造成不可挽回的破壞。FPGA、PLD、DSP和微處理器通常在內(nèi)核與I/O電源之間放置二極管作為ESD保護(hù)元件。如果電源違反了跟蹤要求并超過(guò)了保護(hù)二極管的正向偏置，那么該器件就可能被損壞。

解決方案

為說(shuō)明FPGA供電要求的復(fù)雜性，以在固定時(shí)間段對(duì)VCCINT上電的要求為例。為了保證由上下限控制的2ms到50ms之間的上電時(shí)間，要實(shí)現(xiàn)如圖1所示的電路。

圖1：MIC37302和分立電路確保受控的斜率和時(shí)序

對(duì)內(nèi)核和I/O電源的上電排序或上電順序的跟蹤，增加了電源管理電路的復(fù)雜性和成本。為克服這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)工程師需要一種不增加外部元器件而滿足所有這些需要的器件。這種產(chǎn)品的一個(gè)例子就是Micrel公司的MIC68200 LDO適用于各種板上電源" target=_blank>LDO，它把上升速度控制、上電排序和跟蹤等功能集成到一個(gè)3×3mm的MLF封裝之中。

多顆MIC68200可以按兩種模式級(jí)聯(lián)：在跟蹤模式中，主器件的輸出驅(qū)動(dòng)從器件的RC引腳，以便從器件在打開(kāi)和關(guān)閉期間跟蹤主穩(wěn)壓器;在順序上電模式中，主器件的POR驅(qū)動(dòng)從器件的使能(EN)端，以便在主器件打開(kāi)之后打開(kāi)，在主器件關(guān)閉之前(或之后)關(guān)閉。除了具備跟蹤能力之外，電壓斜坡控制(RC)引腳還能通過(guò)一個(gè)電容對(duì)內(nèi)核電壓軌的斜坡電壓進(jìn)行精確編程。

跟蹤及排序電路分別如圖2和圖3所示，從圖中可以看出該解決方案是一種簡(jiǎn)單且需要很少分立元器件的實(shí)現(xiàn)方案。

圖2：跟蹤電路，內(nèi)核電壓的斜坡由RC引腳上的電容來(lái)設(shè)置

圖3：排序電路，主穩(wěn)壓器的POR使能從穩(wěn)壓器，POR延遲由低電容的設(shè)置

本文小結(jié)

總之，IPTV視頻廣播中采用FPGA作為編碼和解碼平臺(tái)的好處是明顯的。然而，為FPGA供電可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，而采用根據(jù)電源要求設(shè)計(jì)的專(zhuān)用電源管理器件，如MIC68200，將極大地縮短新系統(tǒng)的上市時(shí)間。