FPGA電路設計: 如何應對電源相關(guān)問(wèn)題的挑戰

　　引言

　　在設計可編程門(mén)陣列(FPGA)電路時(shí)，必須極端重視電源問(wèn)題，從而使最終產(chǎn)品能在所有可能的條件下無(wú)缺陷工作并處于最優(yōu)狀態(tài)。FPGA 電路電源有兩項需考慮的問(wèn)題: FPGA 電路上電要求和電路功耗分析。這篇文章針對這兩方面的要求，討論您可能遇到的問(wèn)題，以及解決方案。

　　目前FPGA電路設計所面臨的問(wèn)題

　　FPGA電路通常需要多路電源輸入。為優(yōu)化開(kāi)機時(shí)的電流拖曳，防止鎖死和永久性的電路損壞，同時(shí)也為了防止開(kāi)機接通時(shí)的毛刺干擾和降低開(kāi)機接通的功耗，這些電源輸入必須具有精確的上電序列以及正確的電壓變化率。如何實(shí)現復雜多路供電的精確控制是FPGA電路設計驗證過(guò)程中的難點(diǎn)。此外，隨著(zhù)項目的發(fā)展，FPGA電路設計指標通常會(huì )發(fā)生變化，靈活簡(jiǎn)單的上電參數調整方式也是工程師在進(jìn)行前期電路設計時(shí)所需要的。

　　在產(chǎn)品設計過(guò)程中，還需要測試各種工作條件下的FPGA電路功耗，捕獲大電流尖峰的精確輪廓，并帶有時(shí)戳，以確定尖峰出現的時(shí)間，從而確定設計必須提供的最大電源功耗?？赡苓€需要為電源資源有限的產(chǎn)品(如電池供電設備)進(jìn)行進(jìn)一步功耗優(yōu)化設計。

　　實(shí)例: 為 Xilinx Spartan-3 FPGA 設置上電規則并進(jìn)行功耗分析

　　以Spartan-3系列FPGA為例，該FPGA電路需要四路供電，包括VCCINT（內核電源），VCCAUX（輔助電源），VCCO（I/O電源）和VINTF（接口電源）。其中VINTF用于為配置器件如NOR Flash PROM 或微控器供電的供電。為正確配置 FPGA，要在FPGA上電前 1毫秒開(kāi)啟，這一上電間隔保證了配置器件已完成上電，并準備好向FPGA發(fā)送來(lái)自存儲器的配置。其他三路供電時(shí)序沒(méi)有嚴格要求，但如果VCCINT 在 VCCAUX 之前，或與其同時(shí)上電，FPGA將消耗過(guò)多的內核電流。這一過(guò)度的電流拖曳將更快降低電池壽命，并導致負責功率分配的設計人員選擇更大功率的調整器。

　　為驗證不同上電時(shí)序對FPGA電路消耗電流的影響，使用安捷倫 N6705A直流功耗分析儀按圖1所示與FPGA電路進(jìn)行連接。

　　圖1 使用多路電源為FPGA電路供電時(shí)的連接和設置