Stratix系列FPGA電源方案設(shè)計分析

Stratix系列FPGA是Altera公司推出的面向高帶寬系統(tǒng)的可編程邏輯器件。Stratix器件具備強大的內(nèi)核性能、存儲能力以及靈活的設(shè)計架構(gòu)，從而為日益復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計爭取了更短的設(shè)計周期和更快的上市時間。Stratix器件支持多種I/O標準和高速接口，提供了完善的時鐘管理功能，有多達12個嵌入式鎖相環(huán)(PLL)和40個全局時鐘，并且內(nèi)嵌高帶寬DSP模塊，能完成高于DSP處理器的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。因此，Stratix器件特別適用于需要進行大數(shù)據(jù)量高速數(shù)字信號處理的應(yīng)用[1]。

　　Stratix^TM FPGA的高密度、高速以及大容量存儲等特性使其對系統(tǒng)電源管理及功耗有著嚴格的要求，特別是FPGA邏輯內(nèi)核通常對電流的要求非常高，根據(jù)所用門數(shù)和時鐘頻率，甚至可高達數(shù)10A。因此，設(shè)計一套高效、高性能的FPGA電源解決方案十分必要。

1 系統(tǒng)電源需求分析

Stratix系列FPGA采用1.5V、0.13μm全銅SRAM工藝，可集成10 570~79 040個邏輯單元（LEs），提供高達10MB的RAM[1]?；赟tratixTM FPGA的開發(fā)系統(tǒng)有多種電源需求，最基本的兩種是內(nèi)核電壓和I/O電壓。另外根據(jù)不同開發(fā)系統(tǒng)的功能要求，可能還存在其他多種電源需求。因此，F(xiàn)PGA系統(tǒng)復(fù)雜的電源需求要求在進行系統(tǒng)設(shè)計時，綜合考慮多種因素，從而建立一套完善的電源管理系統(tǒng)。

內(nèi)核電壓VCCINT為FPGA內(nèi)部邏輯和輸入緩沖區(qū)供電，設(shè)定電壓1.5V。內(nèi)核電流消耗（ICCINT）取決于時鐘頻率和內(nèi)部單元使用率，根據(jù)所選Stratix器件不同功耗最大值分別為1.5A~10A，如EP1S40最大ICCINT為6A[2]。FPGA內(nèi)核對瞬態(tài)響應(yīng)的要求非常嚴格，內(nèi)核電壓必須緩慢單調(diào)增加，并且要求在固定的時間內(nèi)上升到穩(wěn)定的電壓，Stratix器件要求最大上升時間不超過100ms。

I/O電壓VCCIO為FPGA輸出緩沖區(qū)供電。Stratix器件支持多種單端和差分I/O標準，如LVTTL、LVCMOS、SSTL、HSTL、LVDS、LVPECL、PCML等，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同接口電平和協(xié)議下的高速數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)所選擇的I/O標準，VCCIO可以設(shè)定為1.5V、1.8V、2.5V或3.3V[1]。I/O標準可按照FPGA中的塊區(qū)（BANK）獨立設(shè)置，因此對于單一的FPGA可能會存在多個I/O電壓。

綜合考慮以上各種因素以及目前各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)對功耗和體積的嚴格要求，本文選用了Intersil高效三輸出同步補償穩(wěn)定器作為FPGA系統(tǒng)的主電源芯片。

2 系統(tǒng)電源解決方案

高性能模擬技術(shù)半導(dǎo)體公司Intersil推出的ISL644X家族電源芯片，主要面向需要多路電源輸出的系統(tǒng)應(yīng)用，為xDSL調(diào)制解調(diào)器/路由器、DSP和FPGA電源需求、機頂盒等應(yīng)用提供了很好的解決方案[3]。針對StratixTM FPGA的電源需求分析，選用ISL6443進行FPGA電源系統(tǒng)的設(shè)計。

ISL6443集成了兩個同步降壓控制器（PWM）和一個線性穩(wěn)壓器。兩個PWM呈180°異相同步，充分降低了輸入電流和紋波電壓的有效值，降低了對輸入濾波器的要求，從而既可獨立提供FPGA內(nèi)核電壓VCCINT，又可獨立提供I/O電壓VCCIO。ISL6443融合了多項保護和監(jiān)控特性，可調(diào)的過流保護電路通過檢測下部MOSFET上的電壓降來監(jiān)控輸出電流，間歇性（Hiccup）過流工作模式保護DC-DC元件，避免其在輸出過載或短路情況下被損壞。芯片有四根控制線（SS1、SD1、SS2、SD2），為每個PWM的輸出提供獨立的控制，從而實現(xiàn)兩個PWM控制器的可編程軟啟動。降壓PWM控制器的固有頻率為300kHz。ISL6443采用電流模式控制電路為調(diào)制器提供帶有輸入電壓前反饋的斜坡輸入，能很好地抑制輸入電壓變化，提供簡化的環(huán)路補償。ISL6443采用28腳四邊形扁平無引腳（QFN）封裝，僅占有5mm×5mm的面積，大大提高了PCB板的利用效率[4]。

2.1 電路設(shè)計分析

結(jié)合StratixTM FPGA和ISL6443的各自特點，給出了FPGA電源系統(tǒng)各部分電路的詳細參考設(shè)計，并進行了仿真和驗證。

2.1.1 內(nèi)核與I/O供電電路[4]

內(nèi)核與I/O電壓是FPGA系統(tǒng)正常工作的保證。StratixTM FPGA的內(nèi)核電壓VCCINT設(shè)定為1.5V，由VOUT1提供，如圖1所示。I/O電壓VCCIO根據(jù)不同的系統(tǒng)所要求的標準而定，這里定為3.3V，由VOUT2提供。由于篇幅有限，圖1將兩部分電路合二為一進行分析。

如圖1所示，ISL6443具有寬工作電壓范圍4.5V~24V，VIN輸入電壓范圍受最大占空比（DMAX=93%）和最小接通時間（tON(MIN)）的限制。

VIN(MAX)≤

其中，tON(MIN)=30ns。

VCC_5V是內(nèi)嵌5V線性穩(wěn)壓器（LDO）的輸出腳，為IC、低端門驅(qū)動器提供偏壓，且為高端門驅(qū)動器的外部自舉電路供電。若用作5V電源輸入時，該腳必須與VIN相連。如圖1，VCC_5V腳必須通過一個靠近該腳的4.7μF的旁路電容接地，以實現(xiàn)去耦。如果VCC_5V的輸出短路，則熱過載保護電路將啟動。輸出端VOUT與地之間的反饋電阻分壓器設(shè)定每個PWM通道的輸出電壓。分壓器的中點接至FBx腳，為相應(yīng)的控制器提供電壓反饋信號。而且，PGOOD電路利用這些輸入來監(jiān)控VOUT。

VOUT=0.8Vx()

　　其中，R2是反饋分壓網(wǎng)絡(luò)的上部電阻，R3是FBx與地之間連接的電阻。

如圖1所示，門控邏輯將生成的PWM信號轉(zhuǎn)換為門驅(qū)動信號，提供放大、電平移動和擊穿保護。FDS6990集成了兩個N溝道MOSFET，高端MOSFET的門驅(qū)動電壓由自舉電路產(chǎn)生。選用BAT54HT1肖特基勢壘二極管作為自舉二極管，正極與VCC_5V相連。BOOT腳與PHASE腳之間的自舉電容為高端MOSFET驅(qū)動器供電。UGATE為高端MOSFET提供門驅(qū)動，LGATE為低端MOSFET提供門驅(qū)動。啟動時，低端MOSFET導(dǎo)通，使PHASE接地，從而給自舉電容充電至5V。低端MOSFET斷開后，高端MOSFET通過關(guān)閉BOOT和UGATE之間的內(nèi)部開關(guān)，實現(xiàn)導(dǎo)通，從而提供所需的柵極-源極電壓來導(dǎo)通高端MOSFET。

2.1.2 輔助I/O供電電路[4]

根據(jù)FPGA系統(tǒng)的不同需求，可能存在不同的I/O標準，因此可能存在多個I/O電壓。由于ISL6443集成了一個額定增益為2A/V的線性穩(wěn)壓器，可利用VOUT2（3.3V）為其供電，輸出VOUT3（2.5V）作為輔助I/O電壓。

如圖2所示，GATE3是線性穩(wěn)壓器的漏極開路輸出，F(xiàn)B3與反饋電阻分壓器相連，提供電壓反饋信號。Q1選用了IRF7404 P溝道MOSFET。當(dāng)PWM的輸出升高且超過了MOSFET調(diào)整器件的門限時，線性穩(wěn)壓器的輸出將跟蹤PWM電源。PWM和線性穩(wěn)壓器的輸出之間的電壓差分等于負載電流和MOSFET導(dǎo)通電阻(RDS(ON))的乘積。

2.1.3 ISL6443控制電路[4]

控制電路主要用來實現(xiàn)ISL6443的過流保護、反饋回路補償、多個控制器的同步等功能。

如圖3所示，PGOOD為漏極開路輸出，用來監(jiān)控輸出電壓的狀態(tài)。當(dāng)任一PWM的輸出超過相應(yīng)額定電壓的10%，或線性穩(wěn)壓器的輸出小于額定值的75%時，PGOOD變?yōu)榈碗娖?，從而使轉(zhuǎn)換器輸出受到過載、短路和欠壓保護。另外，SS1和SS2腳為相應(yīng)的PWM控制器提供軟啟動功能。當(dāng)軟啟動開始時，由于有5μA的電流注入外部電容，激活的PWM通道的SS腳上的電壓呈斜坡上升，輸出電壓跟隨軟啟動電壓變化。當(dāng)SS腳上的電壓達到0.8V時，激活的PWM通道的輸出電壓達到規(guī)定值，從而完成軟啟動過程。SD1和SD2腳為相應(yīng)的PWM輸出提供使能或禁用功能，高電平啟動，低電平輸出禁用。

兩個PWM控制器都使用低端MOSFET導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）進行電流監(jiān)控。檢測到的電壓降與OCSETx腳和地之間的電阻（如圖3中R8、R9）設(shè)置的門限相比較：

ROCSET=

其中，IOC是規(guī)定的過流保護門限，RCS是與ISENx腳相連的電流感應(yīng)電阻。如果過流持續(xù)2個時鐘周期，則進入Hiccup模式，門驅(qū)動器斷開，進入軟啟動。重新啟動前，IC在軟啟動過程中要循環(huán)兩次。IC會在軟啟動過程中持續(xù)循環(huán)，直到過流現(xiàn)象消除為止。

圖3中SYNC腳用來實現(xiàn)兩個或多個ISL6443控制器的同步。使用時需接下拉電阻，不用時將其與VCC_5V相連。

2.2 PCB布局考慮

布局對基于ISL6443的DC-DC轉(zhuǎn)換器的成功實現(xiàn)非常關(guān)鍵。ISL6443工作在高頻模式下，開關(guān)時間非常短，在這種開關(guān)頻率下，即使最短的連線也會產(chǎn)生較大的阻抗。同時，峰值門驅(qū)動電流也會在極短的時間內(nèi)顯著升高。電流從一個器件到另一器件的轉(zhuǎn)換速度引起互連阻抗和寄生電路元件上的電壓尖脈沖。該電壓尖脈沖會降低效率，產(chǎn)生EMI，增加過壓應(yīng)力和阻尼振蕩。仔細考慮PCB板布局，可使電壓尖脈沖的值最小。針對以上考慮總結(jié)了幾點布局上需注意的地方[4]：

(1)輸入電容、高端FET、低端FET、電感和輸出電容應(yīng)首先放置。將輸入高頻去耦電容放在非?？拷麺OSFET的地方。

(2)在IC附近建立一個小的模擬接地平面。將SGND腳接至該平面，包括反饋電阻、電流極限設(shè)置電阻以及SDx下拉電阻的所有小信號接地端都接至SGND平面。

(3)高電流接地端PGND與小信號接地端SGND必須分開，在靠近IC的地方將SGND和PGND相連。

(4)確保從輸入電容到MOSFET、輸出電感和輸出電容的電流通路盡可能短，同時有最大的容許線寬。

(5)將PWM控制器靠近低端FET 放置。LGATE 的連接應(yīng)該較短而且較寬。IC最好放置在無噪聲接地的地方。

(6)將VCC_5V旁路電容接在非?？拷黇CC_5V腳的地方，將它的接地端接至PGND上。將門驅(qū)動元件自舉二極管和自舉電容放在接近IC的地方。

(7)輸出電容應(yīng)盡量靠近負載。用短而寬的覆銅層連接輸出電容和負載，避免產(chǎn)生感抗和阻抗。

3 實驗數(shù)據(jù)分析與驗證

利用Catena公司提供的SIMetrix/SIMPLIS仿真工具實現(xiàn)了該電源方案的分析和驗證，具體方法可查閱參考文獻[6][7][8]。

圖4所示為ISL6443三路輸出電壓波形，PWM控制器門驅(qū)動器的電壓上升和下降時間均為18ns左右。因此，三路輸出電壓能在極短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定值，從而滿足了FPGA的性能要求。

圖5所示為兩個PWM控制器的輸出波形。圖中可以看出，ISL6443的兩個PWM控制器呈180°異相工作，以減小輸入紋波電流。這降低了對輸入電容紋波電流的要求，減小了電源的感生噪聲，同時也提高了EMI抗干擾性能。

圖6所示為ISL6443軟啟動仿真波形。軟啟動功能使轉(zhuǎn)換器的輸出被監(jiān)控，得到過載、短路和欠壓保護。輸出持續(xù)過載會使PGOOD置低，從而進入軟啟動模式，直到過載現(xiàn)象消除為止。

本文利用Intersil高效三輸出同步補償穩(wěn)定器實現(xiàn)了Stratix FPGA的電源系統(tǒng)設(shè)計，并且進行了一系列的仿真分析與驗證實驗。實驗表明該設(shè)計方案合理有效，易于實現(xiàn)，有較好的參考價值和實用價值。