詳解FPGA電源設計的幾個步驟

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)被發(fā)現(xiàn)在眾多的原型和低到中等批量產品的心臟。 FPGA的主要優(yōu)點是在開發(fā)過程中的靈活性，簡單的升級路徑，更快地將產品推向市場，并且成本相對較低。一個主要缺點是復雜，用FPGA往往結合了先進的系統(tǒng)級芯片(SoC)。

這種復雜性使得電源上的苛刻要求。為了應對這些挑戰(zhàn)，電源需要幾個輸出和開關穩(wěn)壓器的效率和線性穩(wěn)壓器的清潔電力的組合。

計算系統(tǒng)電源

供電的FPGA看起來像一個完整的系統(tǒng)供電。電源設計工程師面臨的3到15的電壓軌供給(有時甚至更多)的挑戰(zhàn);而這僅僅是開始。 FPGA是通常制造的使用需要低核心電壓的最新晶片制造技術，但是電源也必須供電多個導軌特種塊和電路，提供多個電壓電平，對于高功率模塊供給額外的電流，和滿足噪聲敏感元件的要求。

只是為了讓事情變得更加復雜，甚至FPGA的同一制造商可以差別很大，使其成為重要的是，工程師選擇每個芯片的最佳電源。這樣的選擇取決于多種因素，諸如電壓和功率需求為每個導軌，導軌‘排序要求，以及系統(tǒng)的電源管理的需要。

在設計一個FPGA電源的第一步驟是確定各個電壓軌和他們的要求。 FPGA供應商通常會提供一個“銷單”，用于指定每個供電引腳連接到設備的電壓軌的電壓電平。

FPGA的軌道在根據(jù)塊被供電在幾個不同的電壓運行。要求通常包括核心(供電的內部邏輯陣列)，I / O(驅動所述I / O緩沖器可以在銀行被分組，從一個不同的電壓的每個操作)，鎖相環(huán)(PLL)(供電中的PLL核心)，以及收發(fā)器(供給收發(fā)器，接收器和發(fā)射器中的數(shù)字和模擬電路)。

一旦個人電壓軌已經確定，下一步是計算的電流消耗依次在每個軌道上。目前抽簽共享軌應在分析被添加到鐵路上來，總該鐵路。 FPGA廠商通常提供的在線計算器用于這一目的。接著，工程師應當加起來所有構成FPGA的，以便準確地估計整個芯片的功耗的元件的功率消耗。

計算的功率消耗后，下一步驟是檢查規(guī)范電壓變化容限和最大電壓紋波為每個軌道。這些參數(shù)通常可以在FPGA中的數(shù)據(jù)表中找到。

負載調節(jié)規(guī)范確定的范圍內(以mV)以內的電壓調節(jié)器的輸出可能偏離了負載的變化。一個典型的規(guī)范負載調整為±5 mV時，如果電源是由開關型DC-DC電壓轉換器導出(“開關穩(wěn)壓器”)。這僅僅是一個，如果在1.2 V指定的電壓軌0.4%的偏差

電壓紋波從峰到峰測量以mV，其大小依賴于的電壓調節(jié)器提供所分析的特定軌道的設計。輸出濾波嚴重影響電壓 - (電流)紋波性能。 (見技術專區(qū)的文章“電容的選擇是關鍵，以良好的電壓調節(jié)器設計”。)大多數(shù)FPGA承受高達2%或軌電壓，這是非?，F(xiàn)代的開關穩(wěn)壓器的能力范圍之內的好電壓紋波。

開關或線性穩(wěn)壓器?

在FPGA電源設計過程的下一步驟是確定是否一個特定的軌道應該由一個開關調節(jié)器或線性調節(jié)器提供動力。特別需要注意的是針對提供噪聲敏感的電路，如PLL和收發(fā)器電路的模擬電源軌。這些軌噪聲過大可能會危及電路的性能。

線性穩(wěn)壓器提供無波動功率，具有快速的響應，更簡單易用，并采取比開關設備的空間更小。它們是噪聲敏感的PLL和收發(fā)器軌道一個不錯的選擇。主要的缺點是缺乏效率的，尤其是當輸出電壓比輸入低了很多。

開關穩(wěn)壓器的高電源軌，他們的更高的效率低于噪音更重要的是更好的選擇。它們是數(shù)字核心邏輯和I供電不錯的選擇/ FPGA中，其中電流的要求可以很容易地運行到幾十安培的O操作。的開關穩(wěn)壓器的缺點是，它比較復雜，體積較大，并且需要更多的外部元件。 (見技術專區(qū)的文章“了解優(yōu)勢和線性穩(wěn)壓器的缺點”。)

由此產生的電源可以有點復雜，包括在“權力樹”(圖2)幾個開關穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。

圖2：包括開關和線性穩(wěn)壓器的FPGA電源

FPGA電源模塊

對于FPGA的電源通常包括開關和線性穩(wěn)壓器一起工作，以提供不同的電壓和穩(wěn)定的電力以合理的效率相結合。設計這樣的供給是不平凡的，但事情可以做簡單得多由各地基礎電源模塊集成了幾個開關和線性穩(wěn)壓器集成到一個芯片電路。

Maxim的MAX8660的電源模塊，例如，包括四個開關穩(wěn)壓器(頻率為2 MHz的運行，從而鼓勵使用小型電感器)和四個線性穩(wěn)壓器。所述開關調節(jié)器自動從脈寬調制(PWM)來輕負荷運轉切換到減少工作電流，延長電池壽命。

該器件提供輸出電壓范圍為0.725-3.3 V(0.4-1.6 A)的開關穩(wěn)壓器和1.7-3.3 V(30-500毫安)為低降(LDO)線性穩(wěn)壓器從2.6到所有的工作范圍6 V輸入。

該芯片還包含電源管理功能和功能，如開/關控制的輸出，低電池檢測，復位輸出，和一個2線I2C串行接口。

Intersil公司提供了ISL9440為更小的FPGA應用。該芯片結合了一個LDO線性穩(wěn)壓器三個開關穩(wěn)壓器。每個輸出可調低至0.8 V和設備從4.5-24 V電源工作。

該ISL9440提供內部軟啟動和獨立的使能輸入，便于電源軌排序在一個緊湊的5×5mm的QFN封裝。該芯片采用了內部回路補償，以盡量減少緊湊的設計和較低的總-解決方案成本的外圍元件。

德州儀器(TI)還提供電源模塊相結合的開關穩(wěn)壓器的無噪聲電源線性穩(wěn)壓器的效率。例如，LM26480(圖3)集成兩個1.5 A降壓(“降壓”)開關穩(wěn)壓器和兩個300毫安線性穩(wěn)壓器。該器件采用2.8至5.5 V電源和第一開關穩(wěn)壓電源0.8-2 V電壓1.5，而第二個提供1.0-3.3 V電壓1.5答：2 MHz的開關穩(wěn)壓器以高達96%的效率運行。線性穩(wěn)壓器提供1-3.5 V電壓高達300 mA的電流。

圖3：德州儀器的LM26480集成了兩個線性穩(wěn)壓器兩個開關穩(wěn)壓器