Stratix II FPGA系統(tǒng)電源設計
引言
Stratix II是ALTERA公司生產(chǎn)的一款高性能FPGA器件。它采用TSMC的90 nm低k絕緣工藝技術生產(chǎn),等價邏輯單元(LE)高達180 k,嵌入式存儲器容量達到9 MB。該器件不但具有極高的性能和密度,而且還針對器件總功率進行了優(yōu)化,同時可以支持高達1 Gbps的高速差分I/O信號,因而是一款超快的FPGA。該芯片中所含的高性能嵌入式DSP塊的運行頻率高達370 MHz。另外Stratix II還有12個可編程PLL,并具有健全的時鐘管理和頻率合成能力。能實現(xiàn)最大的系統(tǒng)性能。
MAX1951是MAXIM公司的一款高效的DC-DC電源轉換芯片,主要用于DSP、FPGA、ASIC的內核及I/O口供電。其高達94%的轉換效率、8腳的SOP表貼封裝及連續(xù)工作時956 mW的低功耗使其特別適合于便捷式電子設備的應用。MAX1951的輸入電壓范圍為2.6~5.5 V,輸出電壓范圍為0.8 V~Vin(可調輸出),輸出電流可達2 A,精度可達1%,開關頻率為1 MHz,輸出效率達94%,且內含過載及過熱保護電路。
基于MAX1951的諸多特點,本文給出了采用該器件為Stratix II FPGA系統(tǒng)供電以降低其功耗的設計方案。
1 應用設計
采用MAX1951為Stratix II FPGA系統(tǒng)供電的參考電路如圖1所示。
1.1 輸入器件參數(shù)的設計
輸入濾波電容主要是用來降低供電系統(tǒng)的電流峰值、電壓紋波和電路開關噪聲的影響,使芯片的輸入電壓紋波控制在3%以下。系統(tǒng)輸入電源的紋波電壓與輸入濾波電容的關系式如下:
VIN_RIPPLE=IOUTVOUT/(fSWVINCIN)
圖1中,R4、C5、C3分別為旁路電阻、旁路電容及參考旁路電容,一般取圖中定值即可。
1.2 輸出器件參數(shù)的設計
(1) 輸出分置電阻
一般默認設計的反饋輸入電壓為0.8 V,也可以根據(jù)所要輸出的電壓VOUT來設計R2,R3的阻值,一般取R2的值在2~20 kΩ之間。這樣,R3值的計算式如下:
R3=R2[(VOUT/VFB)-1] ?。?)
(2) 輸出電感
該電路的輸出電感、最大允許電流的輸出紋波電壓的計算式如下:
LINIT=VOUT(VIN-VOUT)/(VINLIRIOUT(MAX)fSW (2)
IL(MAX)=(1+LIR/2)IOUT(MAX) (3)
VRIOPPLE=VOUT(VIN-VOUT)ESR/(VINLFINAIfSW) (4)
式中,LIR為電感電流峰值/電感最大平均電流,在對電感尺寸、損耗、輸出紋波等參數(shù)加以權衡后,一般最小電感電流紋波LIR應設置在20%至40%之間。MAX1951的工作頻率SW為1 MHz。其中ESR為輸出電容的等效串聯(lián)電阻,在其生產(chǎn)廠家的網(wǎng)站上可以查到相應容量的ESR值。如采用常用的AVX-TAJA106*010,則其ESR為3Ω。
在選取電感時應注意,很多新型器件對電源要求都比較高。所以應盡量加大輸出電感容量以降低紋波(但要以犧牲尺寸為代價)。在其飽和電流滿足設計要求的前提下,電感的阻抗應越小越好。因為電感的容量跟其所承受的最大電流成反比,同時在加大電流和電感容量的同時,也會大大增加電感的尺寸及價格,這在便捷設備的設計初期一定要注意。
(3) 輸出電容
輸出電容蓄電的變化會引起輸出電壓紋波,一般紋波電流小,紋波電壓相應就小。實際電容的簡化電路模型是由等效串聯(lián)電感(ESL)、電容和等效串聯(lián)電阻(ESR)構成的串聯(lián)網(wǎng)絡。由輸出電容引起的電壓紋波VRIPPLE的計算式如下:
式中,TON、TOFF為MAX1951內部MOSFET的導通和斷開時間,TON為定值,TOFF最小取400 ns,所以通常用TOFF來計算VRIPPLE(ESL)。電容的串聯(lián)等效電感ESL由電容生產(chǎn)廠家提供。常用的TAJ系列3216、3528封裝的TAN電容取值1.8 nH。這樣,綜合上面VRIPPLE的計算式,即可估算出COUT。
1.3 補償電路設計
圖1中,補償電阻R1和補償電容C2組成的補償環(huán)路可用來提供穩(wěn)定的寬帶補償,Rl與C2的計算式如下:
式中,K為高頻時回路的修正參數(shù),其值與輸出電容有關,一般在10μF時取0.55,22μF時取0.47。VFB為參考電壓(一般取0.8 V)。gmEA取定值60μs。Gmc定值取4.2 s。GMOD為DC調制增益,RLOAD為輸出負載,上式中未知變量的計算式如下:
式中,C為閉環(huán)增益交叉頻率,一般取值小于等于1/5的開關頻率。RESR一般取0.01Ω。有了以上參數(shù),R1、C2的值便可計算得出。這樣,補償電路的設計就算完成了。
2 基于MAX1951的機載GPS電源設計
2.1 Stratix II FPGA內核供電電路
下面以一種機載GPS定位導航儀器的電源系統(tǒng)為例,來說明MAX1951的應用電路。
在整個系統(tǒng)的設計之前,要對系統(tǒng)中各芯片的功耗進行估算,之后進行累加,以確定系統(tǒng)整體供電方案。本系統(tǒng)為機載GPS定位導航儀,系統(tǒng)硬件主要由一片F(xiàn)PGA、一片DSP、一片ARM及其它外圍接口電路構成。系統(tǒng)電源輸入為+5.5 V,該系統(tǒng)要求功耗低、尺寸小。所以設計可采用電源轉換效率較高的MAX1951作為電源轉換。系統(tǒng)中的Stratix II FPGA所需電源有3.3 V和1.2 V兩種,其中3.3 V用于I/O和PD,1.2 V用于內核與鎖相環(huán)。
估算Stratix II的功耗時,首先應下載ALTERA網(wǎng)站提供的powerplay power estimator V5.1版(可支持Stratix II,Stratix II GX及HardCopy II的早期功耗估計);然后根據(jù)所選用的Stratix II FPGA種類、封裝形式及用途來計算FPGA最大功率。本設計采用F484封裝的EP2S30,經(jīng)估算,其內核最大電流為0.467A,I/O最大工作電流為0.07A。這樣就可以根據(jù)FPGA內核的工作頻率、I/O資源的利用數(shù)量、PLL資源的利用數(shù)量、內部邏輯資源的利用情況、DSP的利用等情況來精確計算芯片的功耗。
圖2所示是為該系統(tǒng)中Stratix II電源內核供電的原理圖。
2.2 Stratix II FPGA的I/O端口供電電路
因Stratix II內核供電分為鎖相環(huán)模擬電源和內核數(shù)字電源兩種,其中鎖相環(huán)所需電源要求純凈、穩(wěn)定,所以在MAX1951輸出的后端可用兩個磁珠對模擬和數(shù)字電源進行隔離,并對PLL模擬電路再次進行濾波,同時在FPGA器件周圍放置相應數(shù)量的0.1μF的引腳濾波電容。
Stratix II FPGA的I/O與PD的供電要求不怎么嚴格,所以可接成共電3.3VD,經(jīng)估算,其最大工作電流為0.1A。因此,按照本文所提供的關系式可以很容易地得出其輸入輸出濾波網(wǎng)絡的參數(shù),圖3所示是用MAX1951設計的Stratix II FPGA系統(tǒng)的I/O口供電電路。
到此為止,Stratix II FPGA供電系統(tǒng)設計完畢。
3 結束語
Stratix Il FPGA的高級架構特性結合Nios II嵌入處理器具有無與倫比的處理能力,能滿足網(wǎng)絡、電信、DSP應用、大容量存儲和其它高帶寬系統(tǒng)的需求。因此,本文基于MAX1951在StratiXII電源供電中的穩(wěn)定性以及功率控制等方面的良好表現(xiàn),可以推廣到現(xiàn)代絕大多數(shù)低功耗器件的電源設計中去。