FPGA電源簡(jiǎn)介

為現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 設計電源系統可不是件容易的工作。FPGA是高度可配置的半導體器件，這種器件在大量應用和終端市場(chǎng)中使用。常見(jiàn)示例包括通信、汽車(chē)、工業(yè)、醫療、視頻和國防等應用。由于它們的高度可配置性，可以在它們周?chē)胖貌煌慕M件，形成最終系統設計。雖然可能會(huì )有數不盡的應用和系統，但是所有設計的一個(gè)共同特性就是它們全都需要電源。

通常需要幾個(gè)電壓軌為FPGA供電。根據應用的不同，主輸入電源可以采用背板電源、隔離電源、非隔離電源，甚至是電池供電的方式。這些主輸入通常生成一個(gè)中間DC電壓來(lái)為FPGA的主電壓軌供電。這些中間電壓通常為5V或12V的DC電壓。表1和表2中列出了FPGA的某些典型電壓軌、電壓和容限值。

表1：Virtex 7 FPGA的電源要求。

圖2：Zynq 7000系列片上系統 (SoC) 的電源要求。

為每個(gè)電壓軌確定合適的電流電平是一件比較棘手的工作，原因在于電流的范圍可以從幾百毫安到60A，甚至更高。如果事先進(jìn)行規劃的話(huà)，情況就會(huì )完全不同，事先規劃可以避免對電源軌的過(guò)度設計，從而避免花費太多，或者避免設計不充份，從而導致必須推倒重來(lái)等錯誤。FPGA銷(xiāo)售商提供準確的工具，這款工具根據客戶(hù)對FPGA的使用方式來(lái)估算出最差情況下的功耗。

圖1中顯示的Xilinx功率估算器 (XPE)，涵蓋了數個(gè)Xilinx FPGA系列。借助于這款工具，客戶(hù)可以選擇正在使用的部件，并且輸入時(shí)鐘和配置信息，來(lái)確定電源需求，并且根據估算值來(lái)選擇合適的器件。

圖1：功率估算器工具。

設計注意事項

在選擇一款符合FPGA應用需要的電源時(shí)，必須將很多因素考慮在內。成本、尺寸，以及效率，始終是電源設計過(guò)程中需要注意的因素。不過(guò)，在FPGA應用中，某些電源軌將會(huì )有不同的要求。內核電源軌通常需要在線(xiàn)路、負載和溫度范圍內保持更加嚴格的精度。某些電源軌，比如說(shuō)收發(fā)器，對于噪聲更加敏感，并且需要將它們的輸出保持在特定的噪聲閥值以下。還需注意的是，某些具有共模電壓的電源軌可組合在一起，并且可以用一個(gè)鐵氧體磁珠進(jìn)行隔離，以實(shí)現濾波或作為一個(gè)負載開(kāi)關(guān)。

當進(jìn)行符合容限要求方面的設計時(shí)，需要將全部的固定和動(dòng)態(tài)運行條件考慮在內。首先，選擇一款基準精度少于1%的穩壓器，這為客戶(hù)預留了最大的設計裕量空間來(lái)處理負載瞬變等動(dòng)態(tài)運行條件。

在設計高速收發(fā)器電源軌時(shí)還需謹慎，因為這些靈敏電源軌上的噪聲會(huì )使性能下降，并且增加抖動(dòng)。低壓降穩壓器 (LDO) 是這些電源軌的理想選擇。不過(guò)，當需要更高電流時(shí)，只要輸出紋波的典型值在10kHz至80MHz頻率范圍內保持在10mVpk-pk以下，就可以使用開(kāi)關(guān)電源。專(zhuān)用FPGA數據表將包含與收發(fā)器需求相關(guān)的詳細技術(shù)規格。

電源排序是FPGA電源設計時(shí)的另外一個(gè)重要方面。由于有數個(gè)電源軌為FPGA供電，下面推薦的電源序列在啟動(dòng)時(shí)汲取最小電流，這反過(guò)來(lái)防止了對器件的損壞。圖2中顯示的是針對Virtex 7系列FPGA上的邏輯電路和收發(fā)器電源軌的建議加電電源序列。針對Zynq 7000系列SoC的處理器排序顯示在圖2中。

圖2：針對Virtex 7 FPGA的推薦加電序列。*VCCINT and VMGTAVCC可同時(shí)加電，只要它們在VMGTAVTT之前啟動(dòng)，它們的加電順序可以互換。

圖3：建議用于Zynq 7000系列SoC的加電序列。

對于Xilinx 7/Zynq 7000系列器件來(lái)說(shuō)，這些電源軌必須具有一個(gè)單調上升，并且必須在0.2ms至50ms的周期范圍內加電，而對于Xilinx Ultrascale FPGA系列器件來(lái)說(shuō)，這個(gè)周期范圍在0.2ms到40ms之間。建議斷電序列與加電序列的順序相反。

電源解決方案

一旦已經(jīng)估算出合適的電流電平，并且全部設計注意事項已知的話(huà)，電源設計人員可以開(kāi)始器件選型。有幾個(gè)選項可供選擇，諸如低壓降穩壓器 (LDO)、開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 和集成模塊，它們都具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，由于其簡(jiǎn)單性和低輸出噪聲，LDO是某些較低電流FPGA電源軌的理想選擇。而LDO的缺點(diǎn)在于，它們的效率不高，并且會(huì )在較高電流時(shí)，通過(guò)導通晶體管大量散熱。它們通常適用于那些功率較低的應用，以及那些要求低噪聲的應用。

當需要的電流值大于2安培，并且效率更為重要的話(huà)，設計人員可以選擇開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)。這些器件在單相位配置中的效率可以達到90%以上，并且提供高達30A的電流。與LDO相比，它們的設計工作量更大，并且在較輕負載時(shí)的效率不太高，不過(guò)它們更加靈活，并且在較高電流電平時(shí)的效率較高。

電源模塊，比如說(shuō)LMZ31506易電源 (simple switcher)，可以將一個(gè)DC/DC轉換器、功率金屬氧化物場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET)、一個(gè)屏蔽電感器，和無(wú)源組件集成在一個(gè)薄型四方扁平無(wú)引線(xiàn) (QFN) 封裝內。由于全部組件已經(jīng)集成在一個(gè)封裝內，并且僅需最少的外部組件，這樣可以減少設計時(shí)間。

Webench FPGA架構設計工具

Webench FPGA架構設計工具(圖4)是一款十分有用的工具，能夠幫助電源設計人員在幾分鐘內構建數個(gè)FPGA電源軌。這個(gè)工具包含某些最近上市的FPGA的詳細電源需求。在這款工具中，你只需選擇正在使用的FPGA，并且將電流調整到需要的水平上，而這款工具將形成一份綜合性的設計報告。

圖4：Webench FPGA架構設計工具。

Sami Sirhan是德州儀器 (TI) 模擬產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)組的系統工程師，負責開(kāi)發(fā)系統參考設計。Sami畢業(yè)于加州舊金山州立大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。

Tamara Schmitz是Xilinx公司技術(shù)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)的電源與存儲器總監。