尋找為FPGA供電的最佳解決方案并不簡(jiǎn)單。許多供應商以適合為FPGA供電的名義推銷(xiāo)某些產(chǎn)品。為FPGA供電的DC-DC轉換器選擇有何特定要求？其實(shí)并不多。一般而言，所有電源轉換器都可用來(lái)為FPGA供電。推薦某些產(chǎn)品通常是基于以下事實(shí)：許多FPGA應用需要多個(gè)電壓軌，例如用于FPGA內核和I/O，還可能需要額外的電壓軌來(lái)用于DDR存儲器。將多個(gè)DC-DC轉換器全部集成到單個(gè)穩壓器芯片中的PMIC（電源管理集成電路）常常是首選。

 

一種為特定FPGA尋找優(yōu)秀供電解決方案的流行方法是使用許多FPGA供應商都提供的已有電源管理參考設計。這對于優(yōu)化設計來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的入門(mén)方式。但此類(lèi)設計往往需要修改，因為FPGA系統通常需要額外的電壓軌和負載，這些也需要供電。在參考設計上增加一些東西常常也是必要的。還有一件事需要考慮，那就是FPGA的輸入電源不是固定的。輸入電壓在很大程度上取決于實(shí)際的邏輯電平以及FPGA所實(shí)現的設計。完成對電源管理參考設計的修改之后，它看起來(lái)將與最初的參考設計不同?？赡苡腥藭?huì )辯稱(chēng)，最好的解決方案是根本不用電源管理參考設計，而是直接將所需的電壓軌和電流輸入到電源管理選型與優(yōu)化工具中，例如ADI公司的 LTpowerCAD等。

 

圖1. 通過(guò)LTpowerCAD工具選擇合適的DC-DC轉換器來(lái)為FPGA供電。

 

LTpowerCAD可用來(lái)為各個(gè)電壓軌提供電源解決方案。它還提供一系列參考設計，以讓設計人員快速入門(mén)。LTpowerCAD可以從ADI公司網(wǎng)站免費下載。

 

一旦選擇了電源架構和各個(gè)電壓轉換器，就需要選擇合適的無(wú)源元件來(lái)設計電源。做這件事時(shí)，需要牢記FPGA的特殊負載要求。

 

它們分別是：

 

●各項電流需求

 

●電壓軌時(shí)序控制

 

●電壓軌單調上升

 

●快速電源瞬變

 

●電壓精度

 

 

FPGA的實(shí)際電流消耗在很大程度上取決于使用情況。不同的時(shí)鐘和不同的FPGA內容需要不同的功率。因此，在FPGA系統的設計過(guò)程中，典型FPGA設計的最終電源規格必然會(huì )發(fā)生變化。FPGA制造商提供的功率估算工具有助于計算解決方案所需的功率等級。在構建實(shí)際硬件之前，獲得這些信息會(huì )非常有用。但是，為了利用此類(lèi)功率估算工具獲得有意義的結果，FPGA的設計必須最終確定，或者至少接近最終完成。

 

通常情況下，工程師設計電源時(shí)考慮的是最大FPGA電流。如果最終發(fā)現實(shí)際FPGA設計需要的功率更少，設計人員就會(huì )縮減電源。

 

 

許多FPGA要求不同電源電壓軌以特定順序上電。內核電壓的供應往往需要早于I/O電壓的供應，否則一些FPGA會(huì )被損壞。為了避免這種情況，電源需要按正確的順序上電。使用標準DC-DC轉換器上的使能引腳，可以輕松實(shí)現簡(jiǎn)單的上電時(shí)序控制。然而，器件關(guān)斷通常也需要時(shí)序控制。僅執行使能引腳時(shí)序控制，很難取得良好的結果。更好的解決辦法是使用具有高級集成時(shí)序控制功能的PMIC，例如 ADP5014。圖2中用紅色表示的特殊電路模塊支持調整上電和關(guān)斷時(shí)序。

 

圖2. ADP5014 PMIC集成了對靈活控制上電/關(guān)斷時(shí)序的支持。

 

圖3顯示了利用此器件實(shí)現的時(shí)序控制。通過(guò)ADP5014上的延遲(DL)引腳可以輕松調整上電和關(guān)斷時(shí)序的時(shí)間延遲。

 

如果使用多個(gè)單獨的電源，增加時(shí)序控制芯片便可實(shí)現所需的上電/關(guān)斷順序。一個(gè)例子是LTC2924，它既能控制DC-DC轉換器的使能引腳來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉電源，也能驅動(dòng)高端N溝道MOSFET來(lái)將FPGA與某個(gè)電壓軌連接和斷開(kāi)。

 

圖3. 多個(gè)FPGA電源電壓的啟動(dòng)和關(guān)斷順序。

 

 

除了電壓時(shí)序之外，啟動(dòng)過(guò)程中還可能要求電壓?jiǎn)握{上升。這意味著(zhù)電壓僅線(xiàn)性上升，如圖4中的電壓A所示。此圖中的電壓B是電壓非單調上升的例子。在啟動(dòng)過(guò)程中，當電壓上升到一定電平時(shí)負載開(kāi)始拉大電流，就會(huì )發(fā)生這種情況。防止這種情況的一種辦法是延長(cháng)電源的軟啟動(dòng)時(shí)間，并選擇能夠快速提供大量電流的電源轉換器。

 

圖4. 電壓A單調上升，電壓B非單調上升。

 

 

FPGA的另一個(gè)特點(diǎn)是它會(huì )非常迅速地開(kāi)始抽取大量電流。這會(huì )在電源上造成很高的負載瞬變。出于這個(gè)原因，許多FPGA需要大量的輸入電壓去耦。陶瓷電容非?？拷赜迷谄骷腣CORE和GND引腳之間。高達1 mF的值非常常見(jiàn)。如此高電容有助于降低對電源提供非常高峰值電流的需求。但是，許多開(kāi)關(guān)穩壓器和LDO規定了最大輸出電容。FPGA的輸入電容要求可能超過(guò)電源允許的最大輸出電容。

 

電源不喜歡非常大的輸出電容，因為在啟動(dòng)期間，開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出電容看來(lái)像是短路的。對此問(wèn)題有一個(gè)解決辦法。較長(cháng)的軟啟動(dòng)時(shí)間可以讓大電容組上的電壓穩定地升高，電源不會(huì )進(jìn)入短路限流模式。

 

圖5. 很多FPGA的輸入電容要求。

 

一些電源轉換器不喜歡過(guò)大輸出電容的另一個(gè)原因是該電容值會(huì )成為調節環(huán)路的一部分。集成環(huán)路補償的轉換器不允許輸出電容過(guò)大，以防止穩壓器的環(huán)路不穩定。在高端反饋電阻上使用前饋電容常?？梢杂绊懣刂骗h(huán)路，如圖6所示。

 

圖6. 當沒(méi)有環(huán)路補償引腳可用時(shí)，利用前饋電容可以調節控制環(huán)路。

 

針對電源的負載瞬變和啟動(dòng)行為，開(kāi)發(fā)工具鏈（包括LTpower-CAD，尤其是LTspice）非常有幫助。該工具可以很好的建模和仿真，從而有效實(shí)現FPGA的大輸入電容與電源的輸出電容的去耦。圖6展示了這一概念。雖然POL（負載端）電源的位置往往靠近負載，但在電源和FPGA輸入電容之間常常存在一些PCB走線(xiàn)。當電路板上有多個(gè)彼此相鄰的FPGA輸入電容時(shí)，離電源最遠的那些電容對電源傳遞函數的影響較小，因為它們之間不僅存在一些電阻，還存在寄生走線(xiàn)電感。這些寄生電感允許FPGA的輸入電容大于電源輸出電容的最大限值，即使所有電容都連接到電路板上的同一節點(diǎn)也無(wú)妨。在LTspice中，可以將寄生走線(xiàn)電感添加到原理圖中，并且可以模擬這些影響。當電路建模中包含足夠的寄生元件時(shí)，仿真結果接近實(shí)際結果。

 

圖7. 電源輸出電容與FPGA輸入電容之間的寄生去耦。

 

 

FPGA電源的電壓精度通常要求非常高。3%的變化容差帶是相當常見(jiàn)的。例如，為使0.85 V的Stratix V內核電壓軌保持在3%的電壓精度窗口內，要求全部容差帶僅為25.5 mV。這個(gè)小窗口包括負載瞬變后的電壓變化以及直流精度。同樣，對于此類(lèi)嚴格要求，包括LTpowerCAD和LTspice在內的可用電源工具鏈在電源設計過(guò)程中非常重要。

 

最后一點(diǎn)建議是關(guān)于FPGA輸入電容的選擇。為了快速提供大電流，通常選擇陶瓷電容。此類(lèi)電容很適合這種用途，但需要小心選擇，使其真實(shí)電容值不隨直流偏置電壓而下降。一些陶瓷電容，尤其是Y5U型，當直流偏置電壓接近其最大額定直流電壓時(shí)，其真實(shí)電容值會(huì )降低到只有標稱(chēng)值的20%。


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