詳解FPGA電源設(shè)計(jì)的幾個(gè)步驟

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)被發(fā)現(xiàn)在眾多的原型和低到中等批量產(chǎn)品的心臟。 FPGA的主要優(yōu)點(diǎn)是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的靈活性，簡(jiǎn)單的升級(jí)路徑，更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并且成本相對(duì)較低。一個(gè)主要缺點(diǎn)是復(fù)雜，用FPGA往往結(jié)合了先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。

這種復(fù)雜性使得電源上的苛刻要求。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，電源需要幾個(gè)輸出和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率和線性穩(wěn)壓器的清潔電力的組合。

計(jì)算系統(tǒng)電源

供電的FPGA看起來(lái)像一個(gè)完整的系統(tǒng)供電。電源設(shè)計(jì)工程師面臨的3到15的電壓軌供給(有時(shí)甚至更多)的挑戰(zhàn);而這僅僅是開(kāi)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(shù)，但是電源也必須供電多個(gè)導(dǎo)軌特種塊和電路，提供多個(gè)電壓電平，對(duì)于高功率模塊供給額外的電流，和滿(mǎn)足噪聲敏感元件的要求。

只是為了讓事情變得更加復(fù)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(gè)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(gè)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌‘排序要求，以及系統(tǒng)的電源管理的需要。

在設(shè)計(jì)一個(gè)FPGA電源的第一步驟是確定各個(gè)電壓軌和他們的要求。 FPGA供應(yīng)商通常會(huì)提供一個(gè)“銷(xiāo)單”，用于指定每個(gè)供電引腳連接到設(shè)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(gè)不同的電壓運(yùn)行。要求通常包括核心(供電的內(nèi)部邏輯陣列)，I / O(驅(qū)動(dòng)所述I / O緩沖器可以在銀行被分組，從一個(gè)不同的電壓的每個(gè)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(gè)人電壓軌已經(jīng)確定，下一步是計(jì)算的電流消耗依次在每個(gè)軌道上。目前抽簽共享軌應(yīng)在分析被添加到鐵路上來(lái)，總該鐵路。 FPGA廠商通常提供的在線計(jì)算器用于這一目的。接著，工程師應(yīng)當(dāng)加起來(lái)所有構(gòu)成FPGA的，以便準(zhǔn)確地估計(jì)整個(gè)芯片的功耗的元件的功率消耗。

計(jì)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(gè)軌道。這些參數(shù)通?？梢栽贔PGA中的數(shù)據(jù)表中找到。

負(fù)載調(diào)節(jié)規(guī)范確定的范圍內(nèi)(以mV)以?xún)?nèi)的電壓調(diào)節(jié)器的輸出可能偏離了負(fù)載的變化。一個(gè)典型的規(guī)范負(fù)載調(diào)整為±5 mV時(shí)，如果電源是由開(kāi)關(guān)型DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器導(dǎo)出(“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器”)。這僅僅是一個(gè)，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(cè)量以mV，其大小依賴(lài)于的電壓調(diào)節(jié)器提供所分析的特定軌道的設(shè)計(jì)。輸出濾波嚴(yán)重影響電壓 - (電流)紋波性能。 (見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區(qū)的文章“電容的選擇是關(guān)鍵，以良好的電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)”。)大多數(shù)FPGA承受高達(dá)2%或軌電壓，這是非?，F(xiàn)代的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的能力范圍之內(nèi)的好電壓紋波。

開(kāi)關(guān)或線性穩(wěn)壓器?

在FPGA電源設(shè)計(jì)過(guò)程的下一步驟是確定是否一個(gè)特定的軌道應(yīng)該由一個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器或線性調(diào)節(jié)器提供動(dòng)力。特別需要注意的是針對(duì)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(guò)大可能會(huì)危及電路的性能。

線性穩(wěn)壓器提供無(wú)波動(dòng)功率，具有快速的響應(yīng)，更簡(jiǎn)單易用，并采取比開(kāi)關(guān)設(shè)備的空間更小。它們是噪聲敏感的PLL和收發(fā)器軌道一個(gè)不錯(cuò)的選擇。主要的缺點(diǎn)是缺乏效率的，尤其是當(dāng)輸出電壓比輸入低了很多。

開(kāi)關(guān)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(cuò)的選擇/ FPGA中，其中電流的要求可以很容易地運(yùn)行到幾十安培的O操作。的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是，它比較復(fù)雜，體積較大，并且需要更多的外部元件。 (見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區(qū)的文章“了解優(yōu)勢(shì)和線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)”。)

由此產(chǎn)生的電源可以有點(diǎn)復(fù)雜，包括在“權(quán)力樹(shù)”(圖2)幾個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。

圖2：包括開(kāi)關(guān)和線性穩(wěn)壓器的FPGA電源

FPGA電源模塊

對(duì)于FPGA的電源通常包括開(kāi)關(guān)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(jié)合。設(shè)計(jì)這樣的供給是不平凡的，但事情可以做簡(jiǎn)單得多由各地基礎(chǔ)電源模塊集成了幾個(gè)開(kāi)關(guān)和線性穩(wěn)壓器集成到一個(gè)芯片電路。

Maxim的MAX8660的電源模塊，例如，包括四個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(頻率為2 MHz的運(yùn)行，從而鼓勵(lì)使用小型電感器)和四個(gè)線性穩(wěn)壓器。所述開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器自動(dòng)從脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)輕負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)切換到減少工作電流，延長(zhǎng)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(kāi)關(guān)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(kāi)/關(guān)控制的輸出，低電池檢測(cè)，復(fù)位輸出，和一個(gè)2線I2C串行接口。

Intersil公司提供了ISL9440為更小的FPGA應(yīng)用。該芯片結(jié)合了一個(gè)LDO線性穩(wěn)壓器三個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。每個(gè)輸出可調(diào)低至0.8 V和設(shè)備從4.5-24 V電源工作。

該ISL9440提供內(nèi)部軟啟動(dòng)和獨(dú)立的使能輸入，便于電源軌排序在一個(gè)緊湊的5×5mm的QFN封裝。該芯片采用了內(nèi)部回路補(bǔ)償，以盡量減少緊湊的設(shè)計(jì)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(jié)合的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的無(wú)噪聲電源線性穩(wěn)壓器的效率。例如，LM26480(圖3)集成兩個(gè)1.5 A降壓(“降壓”)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和兩個(gè)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源0.8-2 V電壓1.5，而第二個(gè)提供1.0-3.3 V電壓1.5答：2 MHz的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以高達(dá)96%的效率運(yùn)行。線性穩(wěn)壓器提供1-3.5 V電壓高達(dá)300 mA的電流。

圖3：德州儀器的LM26480集成了兩個(gè)線性穩(wěn)壓器兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器