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現場(chǎng)可編程門(mén)陣列的供電原理及應用
作者：
時(shí)間：2010-03-29
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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當一個(gè)邏輯器件從邏輯1切換到邏輯0時(shí)，或者從邏輯0切換到邏輯1時(shí)，包括電源的輸出結構暫時(shí)變?yōu)榈妥杩範顟B(tài)。每次轉換均要求對信號線(xiàn)進(jìn)行充電或放電，這就需要能量。旁路電容的功能是在本地儲存能量，以提供轉換所需的能量。
本地儲存能量必須在較寬的頻率范圍內可用。低串聯(lián)電感的非常小的電容用來(lái)為高頻轉換提供快速電流。高頻電容能量耗盡之后，較大、較慢的電容繼續提供電流。FPGA技術(shù)要求三種頻率范圍內的電容，即高、中、低頻率范圍。這些頻率的跨度為1kHz至500MHz。
正確放置對于高頻電容（1nF至100nF低電感陶瓷片式電容）非常重要；對于中頻電容（10μF至100μF鉭電容或陶瓷電容）和低頻電容(>470μF)，這種重要性依次降低。之所以與放置有關(guān)，原因很簡(jiǎn)單：從電容引腳到FPGA電源引腳的路徑電感必須盡可能低。這意味著(zhù)該路徑必須盡可能短，哪怕要穿過(guò)實(shí)體接地層或電源層。1英寸實(shí)心銅層的電感約為1nH，因此距離極為重要。旁路電容過(guò)孔必須直接下行至接地層或VCC層。
高頻旁路電容，無(wú)論是在VCCINT還是VCCIO上，均應安裝在相關(guān)VCC引腳的1厘米范圍內；中頻旁路電容則應安裝在VCC引腳的3厘米范圍內。低頻旁路電容可以安裝在合理范圍內的電路板上任意位置。當然，離FPGA越近越好。
較新的FPGA有輸入/輸出旁路要求，因此以前用于低速或低密度設計的電容類(lèi)型可能無(wú)效。根據所用材料、結構和值的不同，旁路電容在整個(gè)頻率范圍內有不同的串聯(lián)電抗。通過(guò)查看各種系列的數據手冊，可以得知某些電容更適合當前所考慮的應用。
圖3中顯示了電容阻抗隨頻率的變化曲線(xiàn)。阻抗最小值位于電容的自諧振頻率；超過(guò)此頻率后，寄生引線(xiàn)電感在“電容”的電抗特性中占據主導地位。圖中，業(yè)界標準型X7R單芯片、10nF陶瓷1206片式電容在50MHz時(shí)的阻抗為0.2Ω。然而，在500MHz時(shí)，該電容的阻抗約為3Ω。當有效阻抗增大，負載無(wú)法使用電容所儲存的能量時(shí)，電容即無(wú)效。同時(shí)還必須考慮溫度范圍和老化效應。一些電容在室溫時(shí)阻抗較低，但在極端溫度時(shí)則表現不佳。當電容值較大（100nF至330nF）時(shí)，Z5U電容在高頻時(shí)的ESR可能較低。不過(guò)，這種電容不宜在10℃以下使用。作為+20%、C80%額定器件，這種電容要求幾乎兩倍的設計值才能安全使用。選擇旁路電容系列時(shí)，最好查看電容制造商的數據手冊。
FPGA電源設計可能會(huì )涉及5A、10A甚至更高的電流在PCB走線(xiàn)中流動(dòng)。當這種大電流存在并以開(kāi)關(guān)模式（邊沿陡峭）隨時(shí)間變化時(shí)，顯而易見(jiàn)，噪聲、感應電壓和電磁輻射(EMI)很可能出現，并可能導致電源工作異常。與配線(xiàn)電感相關(guān)的快速開(kāi)關(guān)電流也可能會(huì )產(chǎn)生電壓瞬變，并導致其它問(wèn)題。為使電感和接地環(huán)路最小，傳導高電流的PCB走線(xiàn)應盡可能短。應采用接地層結構或單點(diǎn)接地，使外部元件盡可能靠近DC/DC轉換器，以實(shí)現最佳效果。使用開(kāi)口鐵芯電感時(shí)，必須特別注意這種電感的位置和定位，避免電感通量與敏感的反饋接地路徑和COUT配線(xiàn)相交。使用具有可調輸出的開(kāi)關(guān)穩壓器或控制器時(shí)，應將反饋電阻和相關(guān)配線(xiàn)置于IC附近，并遠離電感布置配線(xiàn)，尤其是開(kāi)口鐵芯式電感。鐵氧體繞軸或鐵棒電感具有從繞軸一端經(jīng)空氣到達另一端的磁力線(xiàn)。這些磁力線(xiàn)會(huì )在電感磁場(chǎng)范圍內的所有導線(xiàn)或PC板銅走線(xiàn)中產(chǎn)生感應電壓。銅走線(xiàn)中產(chǎn)生的電壓量由以下因素決定：磁場(chǎng)強度、PC銅走線(xiàn)相對于磁場(chǎng)的方向和位置，以及銅走線(xiàn)與電感之間的距離。
FPGA和穩壓器的可靠性取決于散熱問(wèn)題。這些器件的溫度主要受待機功耗和總功耗、外部容性負載（僅FPGA）、熱阻、環(huán)境溫度以及氣流等因素控制。必須有效管理這些因素，使結溫(Tj)始終低于制造商規定的最高溫度。
ADP2114同步降壓開(kāi)關(guān)穩壓器ADP2114,pdf datasheet (Synchronous Step-Down DC-to-DC Regulator)
ADP2114（圖4）是一款功能多樣的同步降壓開(kāi)關(guān)穩壓器，可滿(mǎn)足各種客戶(hù)負載點(diǎn)要求。兩個(gè)PWM通道既可以配置為分別提供2A和2A（或3A/1A）電流的兩路獨立輸出，也可以配置為提供4A電流的單路交錯式輸出。ADP2114可提供高功效，開(kāi)關(guān)頻率最高可達2MHz。在輕負載時(shí)，該器件可以設置為脈沖跳躍模式工作，以便提高功效，或者設置為強制PWM模式工作，以便降低電磁干擾(EMI)。ADP2114還具有欠壓閉鎖(UVLO)、遲滯、軟啟動(dòng)和電源正常輸出指示等特性；保護特性有輸出短路保護和熱關(guān)斷等?？梢岳脴O小電阻和電容對輸出電壓、電流限制、開(kāi)關(guān)頻率、脈沖跳躍工作模式和軟啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行外部編程。
圖3 電容阻抗隨頻率的變化曲線(xiàn)
圖4 ADP2114同步降壓開(kāi)關(guān)穩壓器
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