使用數字電源模塊為 FPGA 供電

為 FPGA 提供負載點(diǎn) (POL) 電源的電壓輸入軌的激增使電源設計更具挑戰性。因此，封裝電源模塊在電信、云計算和工業(yè)設備中的使用越來(lái)越多，因為它們作為獨立的電源管理系統運行。它們比分立式解決方案更易于使用，并且對于經(jīng)驗豐富的和新手電源設計人員來(lái)說(shuō)都可以加快上市時(shí)間。模塊包括所有主要組件——PWM 控制器、FET、電感器和補償電路——只有創(chuàng )建整個(gè)電源所需的輸入電容器和輸出電容器。 

本文討論 FPGA 參考設計生成器，并引導您完成為 POL 選擇 FPGA、所需的電源軌、背板和數字電源模塊的步驟。我們將重點(diǎn)介紹用于配置、驗證和監控 FPGA 電源架構的圖形用戶(hù)界面 (GUI)，我們將解釋 GUI 的排序功能，以便為電壓軌加電，并選擇電源順序和上升和下降時(shí)間。

電源軟件工具

FPGA 制造商提供各種工具，幫助在電源規劃階段估算電源需求。這些工具考慮了設備選擇、架構評估和熱建模，以得出估計的解決方案。例如，電源設計人員可以在預設計和預實(shí)現階段使用Xilinx Power Estimator (XPE) 工具。然后，電源管理供應商從 XPE 中獲取結果，并使用該信息為電源組件選擇提供必要的指導。

由于可編程 FPGA 在規劃階段是一個(gè)變量，因此可以為根據 FPGA 利用率而變化的設備系列建立經(jīng)驗法則。低、中和高利用率估算值可以幫助確定這些條件下的電力需求。表 1 分解了 Virtex 7 FPGA 的低、中和高電流估計的功率要求。

表 1：Virtex 7 FPGA 的電源要求。

使用表 1 圖表作為我們的指南，我們可以選擇各種選項，例如模擬分立或模塊解決方案以及數字分立或電源模塊解決方案。FPGA Reference Design Generator等工具使您可以輕松地為目標 FPGA 硬件選擇解決方案。只需選擇 FPGA 供應商、FPGA 系列、當前要求、所需背板和感興趣的解決方案。然后，該工具會(huì )提供與所需解決方案相關(guān)的所有必要設計資料，包括設計原理圖、布局、BOM 和框圖。 

 圖 1： FPGA Reference Design Generator 為您的設計找到合適的 Intersil 功率器件。

對于高性能應用，您可能希望盡量減少花在電源上的時(shí)間，而將注意力集中在 FPGA 上開(kāi)發(fā)應用。在高性能系統中，沒(méi)有設置 FPGA 代碼，FPGA 的解決方案代碼通常會(huì )有所不同。使用基于模擬的電源解決方案，您的大部分時(shí)間將花在重新設計電感器以及重新計算補償網(wǎng)絡(luò )上，以保持電源的性能。計算當然需要時(shí)間，在某些情況下，這可能意味著(zhù)重新設計電感器。此外，如果封裝尺寸發(fā)生變化，您可能還需要花費額外的時(shí)間重新設計 PCB。使用一些數字解決方案，例如 ISL827xM，您不必重新設計電感器或重新計算補償網(wǎng)絡(luò )；

的電源 IC 供應商提供模擬和數字解決方案，包括電源模塊，為您提供多種選擇來(lái)評估權衡。例如，您可以為 Virtex 解決方案的固定軌選擇ISL85003 3A 開(kāi)關(guān)降壓穩壓器，然后使用數字電源模塊來(lái)支持各種 Virtex 器件選項。在某些情況下，電源軌不僅為 FPGA 供電，還為應用中的其他設備供電。在我們的示例中，我們將為所有三個(gè)電壓軌使用數字解決方案。我們將使用ISL8270M 25A 數字電源模塊，并將ZL2102 6A 數字集成降壓穩壓器用于其余軌。

取決于您的電路板啟動(dòng)和測試策略。Intersil 的PowerNavigator GUI 軟件將有助于加速硬件的啟動(dòng)、測試和終確定。ISL8270M 和 ZL2102 都提供評估板，這些評估板可以連接在一起，然后使用 USB 轉 PMBus 接口進(jìn)行設置以滿(mǎn)足您的特定應用要求。圖 2 顯示了處于離線(xiàn)模式的 PowerNavigator 工具，可供我們插入硬件并進(jìn)行配置設置選擇。我們將在啟動(dòng)階段使用這些設置來(lái)分段測試和驗證設計。

圖 2：PowerNavigator GUI 簡(jiǎn)化了高密度電源系統的設計。