透過(guò)設計實(shí)例揭秘FPGA電源的N個(gè)考慮事項

　　引言

　　FPGA是一種提供許多邏輯單元和其他功能（如收發(fā)器、PLL和用于復雜處理任務(wù)的MAC單元）的器件。FPGA現在變得非常強大，有效地為它們供電是設計的一個(gè)重要方面，這一點(diǎn)常常被低估。

　　本文分析了針對FPGA的電源要求，提供了關(guān)于如何將其放在PCB上和放在什么位置的指導，并通過(guò)一個(gè)設計示例讓讀者熟悉設計步驟，設計當中FPGA所在的系統由12 V總線(xiàn)供電，這是來(lái)自市電供電SMPS的主輸出。

　　功耗估算器和電壓要求

　　FPGA設計的一個(gè)重要方面是確定所需電壓要求和每個(gè)電壓軌的電流要求。各大FPGA廠(chǎng)商都提供了綜合性計算器來(lái)幫助確定這些要求，考慮因素包括器件工作頻率、所用門(mén)電路數量以及門(mén)電路的切換率。例如，Altera提供了PowerPlay Early Power Estimator，Xilinx提供了XPower Analyzer。

　　表1包含Altera和Xilinx器件需要的一些典型電壓軌，分為三個(gè)核心電壓：I/O電壓、收發(fā)器電壓和輔助電壓。

　　POL和配電系統

　　核心電壓較低的FPGA需要高電流、高精度和最小紋波。為實(shí)現這一目標，去耦電容器的位置應當盡量鄰近FPGA，使去耦通路中的ESR和ESL最小。

　　另一種合適做法是將POL穩壓器放在盡量鄰近器件的位置，但不影響FPGA的輸入和輸出路徑。更高的工作頻率和控制、驅動(dòng)器與MOSFET和集成度有助于實(shí)現緊湊的布局。小解決方案占位面積允許將穩壓器放在FPGA的近旁，從而改善穩壓器瞬態(tài)響應。圖1提供了來(lái)自Vishay microBUCK產(chǎn)品的一種3 A穩壓器示例。

　　圖1： 階躍響應為SiP12107。VIN = 5 V，VOUT = 1.2，Fsw = 2 MHz；20 kHz時(shí)條件下負載階躍 = 0 - 3 A；L = 330 nH，CIN = 22 μF，COUT = 22 μF；黃色 = VOUT，藍色 = 電流。

　　從圖中可以看出，在22 μF （0805） 最小輸入和輸出電容時(shí)，階躍響應為37 mV Pk-Pk（負載還有一些電容）。

　　穩壓器使用電流模式恒定導通時(shí)間 （CM-COT） 拓撲結構，且不需要通過(guò)外部紋波抑制來(lái)提供穩定性。這可以幫助降低元件數量和提供優(yōu)異的瞬態(tài)響應。

　　選擇合適的穩壓器

　　在選擇穩壓器時(shí)，首要選擇標準之一是所要求的輸入工作電壓。其次應當檢查電流要求。在最終備選器件名單確定后，再對一些特性進(jìn)行檢查，如工作頻率范圍、低電流模式省電量等，這樣設計人員就能確定最適合應用的器件。

　　多家開(kāi)關(guān)穩壓器供應商現在都提供在線(xiàn)仿真工具來(lái)輔助電源設計。例如，Vishay穩壓器有PowerCAD在線(xiàn)仿真工具支持。在使用上述方法分析了可選器件之后，在線(xiàn)仿真工具可讓用戶(hù)快速完成設計（參見(jiàn)圖2的仿真電路原理圖）。這個(gè)步驟完成后，接著(zhù)可以檢查工作波形，如啟動(dòng)、階躍響應及穩態(tài)工作，以了解電流和電壓幅值。該仿真器的特性還包括高效率、所有元件損耗的細分類(lèi)目以及BOM生成器。

　　圖2：Vishay PowerCAD軟件仿真電路原理圖

　　初始設計過(guò)程示例

　　我們以選擇時(shí)鐘速度為362 MHz的Cyclone IV EP4CGX75為例。

　　1.使用PowerPlay確定每個(gè)電源軌的電流要求。在此例中，我們只對輸出端具有最差情況負載時(shí)的FPGA供電進(jìn)行分析。表2列出了從早期估算器軟件得到的設計技術(shù)規格。

　　表2：來(lái)自Altera PowerPlay的設計技術(shù)規格

　　2.現在可以選擇器件。從表2可以看出，器件的核心電壓在電流為5 A時(shí)是1.2 V。另外還有來(lái)自這個(gè)電壓軌的另一個(gè)1 A要求，使得來(lái)自該電壓軌的總電流要求為6 A。實(shí)際上，其他兩個(gè)電壓也是這樣，并且導致圖3所示的電源架構。

　　圖3：示例解決方案

　　3.運行Vishay PowerCAD仿真器，得到表3中的結果。

　　這些仿真與最終設計在效率方面的差異不超過(guò)1%。雖然它們不能取代詳盡的設計過(guò)程，但有助于設計人員在費時(shí)費力完成硬件設計任務(wù)前快速了解可能得到的結果。

　　作者：Owain Bryant，Vishay Siliconix產(chǎn)品應用工程師

　　——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)09月技術(shù)特刊《智能工業(yè)特刊》，轉載請注明出處，違者必究！