Stratix II FPGA系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

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(shù)生產(chǎn)，等價(jià)邏輯單元（LE）高達(dá)180 k，嵌入式存儲(chǔ)器容量達(dá)到9 MB。該器件不但具有極高的性能和密度，而且還針對(duì)器件總功率進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)可以支持高達(dá)1 Gbps的高速差分I/O信號(hào)，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(yùn)行頻率高達(dá)370 MHz。另外Stratix II還有12個(gè)可編程PLL，并具有健全的時(shí)鐘管理和頻率合成能力。能實(shí)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(zhuǎn)換芯片，主要用于DSP、FPGA、ASIC的內(nèi)核及I/O口供電。其高達(dá)94%的轉(zhuǎn)換效率、8腳的SOP表貼封裝及連續(xù)工作時(shí)956 mW的低功耗使其特別適合于便捷式電子設(shè)備的應(yīng)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(diào)輸出），輸出電流可達(dá)2 A，精度可達(dá)1%，開關(guān)頻率為1 MHz，輸出效率達(dá)94%，且內(nèi)含過(guò)載及過(guò)熱保護(hù)電路。

　　基于MAX1951的諸多特點(diǎn)，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(shè)計(jì)方案。

1 應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　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(shè)計(jì)

　　輸入濾波電容主要是用來(lái)降低供電系統(tǒng)的電流峰值、電壓紋波和電路開關(guān)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(guān)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(shè)計(jì)

（1） 輸出分置電阻

一般默認(rèn)設(shè)計(jì)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(lái)設(shè)計(jì)R2，R3的阻值，一般取R2的值在2～20 kΩ之間。這樣，R3值的計(jì)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(jì)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(duì)電感尺寸、損耗、輸出紋波等參數(shù)加以權(quán)衡后，一般最小電感電流紋波LIR應(yīng)設(shè)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(yīng)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(shí)應(yīng)注意，很多新型器件對(duì)電源要求都比較高。所以應(yīng)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(jià)）。在其飽和電流滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，電感的阻抗應(yīng)越小越好。因?yàn)殡姼械娜萘扛渌惺艿淖畲箅娏鞒煞幢龋瑫r(shí)在加大電流和電感容量的同時(shí)，也會(huì)大大增加電感的尺寸及價(jià)格，這在便捷設(shè)備的設(shè)計(jì)初期一定要注意。

（3） 輸出電容

　　輸出電容蓄電的變化會(huì)引起輸出電壓紋波，一般紋波電流小，紋波電壓相應(yīng)就小。實(shí)際電容的簡(jiǎn)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(gòu)成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。由輸出電容引起的電壓紋波VRIPPLE的計(jì)算式如下：

　　式中，TON、TOFF為MAX1951內(nèi)部MOSFET的導(dǎo)通和斷開時(shí)間，TON為定值，TOFF最小取400 ns，所以通常用TOFF來(lái)計(jì)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(jì)算式，即可估算出COUT。

1.3 補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

圖1中，補(bǔ)償電阻R1和補(bǔ)償電容C2組成的補(bǔ)償環(huán)路可用來(lái)提供穩(wěn)定的寬帶補(bǔ)償，Rl與C2的計(jì)算式如下：

式中，K為高頻時(shí)回路的修正參數(shù)，其值與輸出電容有關(guān)，一般在10μF時(shí)取0.55，22μF時(shí)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(diào)制增益，RLOAD為輸出負(fù)載，上式中未知變量的計(jì)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(guān)頻率。RESR一般取0.01Ω。有了以上參數(shù)，R1、C2的值便可計(jì)算得出。這樣，補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)就算完成了。

2 基于MAX1951的機(jī)載GPS電源設(shè)計(jì)

2.1 Stratix II FPGA內(nèi)核供電電路

　　下面以一種機(jī)載GPS定位導(dǎo)航儀器的電源系統(tǒng)為例，來(lái)說(shuō)明MAX1951的應(yīng)用電路。

　　在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之前，要對(duì)系統(tǒng)中各芯片的功耗進(jìn)行估算，之后進(jìn)行累加，以確定系統(tǒng)整體供電方案。本系統(tǒng)為機(jī)載GPS定位導(dǎo)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(gòu)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(shè)計(jì)可采用電源轉(zhuǎn)換效率較高的MAX1951作為電源轉(zhuǎn)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(nèi)核與鎖相環(huán)。

　　估算Stratix II的功耗時(shí)，首先應(yīng)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(jì)）；然后根據(jù)所選用的Stratix II FPGA種類、封裝形式及用途來(lái)計(jì)算FPGA最大功率。本設(shè)計(jì)采用F484封裝的EP2S30，經(jīng)估算，其內(nèi)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(nèi)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(nèi)部邏輯資源的利用情況、DSP的利用等情況來(lái)精確計(jì)算芯片的功耗。

　　圖2所示是為該系統(tǒng)中Stratix II電源內(nèi)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(nèi)核供電分為鎖相環(huán)模擬電源和內(nèi)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(gè)磁珠對(duì)模擬和數(shù)字電源進(jìn)行隔離，并對(duì)PLL模擬電路再次進(jìn)行濾波，同時(shí)在FPGA器件周圍放置相應(yīng)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(yán)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(guān)系式可以很容易地得出其輸入輸出濾波網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，圖3所示是用MAX1951設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)完畢。

3 結(jié)束語(yǔ)

     Stratix Il FPGA的高級(jí)架構(gòu)特性結(jié)合Nios II嵌入處理器具有無(wú)與倫比的處理能力，能滿足網(wǎng)絡(luò)、電信、DSP應(yīng)用、大容量存儲(chǔ)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(shè)計(jì)中去。