發布日期：2022-04-28 點擊率：27
作者：德州儀器 (TI) ：Sami Sirhan， 賽靈思：Tamara Schmitz
為現場可編程門陣列 (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中使用。常見示例包括通信、汽車、工業、醫療、視頻和國防等應用。由于它們的高度可配置性，可以在它們周圍放置不同的組件，形成最終系統設計。雖然可能會有數不盡的應用和系統，但是所有設計的一個共同特性就是它們全都需要電源。
通常需要幾個電壓軌為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中間DC電壓來為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。
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表1：Virtex 7 FPGA的電源要求。 |
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表2：Zynq 7000系列片上系統 (SoC) 的電源要求。 |
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為每個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。如果事先進行規劃的話，情況就會完全不同，事先規劃可以避免對電源軌的過度設計，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等錯誤。FPGA銷售商提供準確的工具，這款工具根據客戶對FPGA的使用方式來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Xilinx FPGA系列。借助于這款工具，客戶可以選擇正在使用的部件，并且輸入時鐘和配置信息，來確定電源需求，并且根據估算值來選擇合適的器件。
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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，必須將很多因素考慮在內。成本、尺寸，以及效率，始終是電源設計過程中需要注意的因素。不過，在FPGA應用中，某些電源軌將會有不同的要求。內核電源軌通常需要在線路、負載和溫度范圍內保持更加嚴格的精度。某些電源軌，比如說收發器，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，并且可以用一個鐵氧體磁珠進行隔離，以實現濾波或作為一個負載開關。
當進行符合容限要求方面的設計時，需要將全部的固定和動態運行條件考慮在內。首先，選擇一款基準精度少于1%的穩壓器，這為客戶預留了最大的設計裕量空間來處理負載瞬變等動態運行條件。
在設計高速收發器電源軌時還需謹慎，因為這些靈敏電源軌上的噪聲會使性能下降，并且增加抖動。低壓降穩壓器 (LDO) 是這些電源軌的理想選擇。不過，當需要更高電流時，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，就可以使用開關電源。專用FPGA數據表將包含與收發器需求相關的詳細技術規格。
電源排序是FPGA電源設計時的另外一個重要方面。由于有數個電源軌為FPGA供電，下面推薦的電源序列在啟動時汲取最小電流，這反過來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。
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圖2：針對Virtex 7 FPGA的推薦加電序列。*VCCINT and VMGTAVCC可同時加電，只要它們在VMGTAVTT之前啟動，它們的加電順序可以互換。 |
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圖3：建議用于Zynq 7000系列SoC的加電序列。 |
對于Xilinx 7/Zynq 7000系列器件來說，這些電源軌必須具有一個單調上升，并且必須在0.2ms至50ms的周期范圍內加電，而對于Xilinx Ultrascale FPGA系列器件來說，這個周期范圍在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
一旦已經估算出合適的電流電平，并且全部設計注意事項已知的話，電源設計人員可以開始器件選型。有幾個選項可供選擇，諸如低壓降穩壓器 (LDO)、開關模式電源 (SMPS) 和集成模塊，它們都具有不同的優缺點。例如，由于其簡單性和低輸出噪聲，LDO是某些較低電流FPGA電源軌的理想選擇。而LDO的缺點在于，它們的效率不高，并且會在較高電流時，通過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，設計人員可以選擇開關模式電源 (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，并且在較輕負載時的效率不太高，不過它們更加靈活，并且在較高電流電平時的效率較高。
電源模塊，比如說LMZ31506易電源 (simple switcher)，可以將一個DC/DC轉換器、功率金屬氧化物場效應晶體管 (MOSFET)、一個屏蔽電感器，和無源組件集成在一個薄型四方扁平無引線 (QFN) 封裝內。由于全部組件已經集成在一個封裝內，并且僅需最少的外部組件，這樣可以減少設計時間。
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FPGA電源軌。這個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。
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圖4：Webench FPGA架構設計工具。 |
Sami Sirhan是德州儀器 (TI) 模擬產品市場營銷組的系統工程師，負責開發系統參考設計。Sami畢業于加州舊金山州立大學，獲電子工程學士學位。
Tamara Schmitz是Xilinx公司技術市場營銷部門的電源與存儲器總監。
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