作者：德州儀器 （TI） ：Sami Sirhan， 賽靈思：Tamara Schmitz

為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA） 設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)可不是件容易的工作。FPGA是高度可配置的半導(dǎo)體器件，這種器件在大量應(yīng)用和終端市場(chǎng)中使用。常見示例包括通信、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、視頻和國(guó)防等應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)。雖然可能會(huì)有數(shù)不盡的應(yīng)用和系統(tǒng)，但是所有設(shè)計(jì)的一個(gè)共同特性就是它們?nèi)夹枰娫础?/p>

通常需要幾個(gè)電壓軌為FPGA供電。根據(jù)應(yīng)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。

表2：Zynq 7000系列片上系統(tǒng) （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(guī)劃的話，情況就會(huì)完全不同，事先規(guī)劃可以避免對(duì)電源軌的過度設(shè)計(jì)，從而避免花費(fèi)太多，或者避免設(shè)計(jì)不充份，從而導(dǎo)致必須推倒重來等錯(cuò)誤。FPGA銷售商提供準(zhǔn)確的工具，這款工具根據(jù)客戶對(duì)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(shù)個(gè)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(shí)鐘和配置信息，來確定電源需求，并且根據(jù)估算值來選擇合適的器件。

圖1：功率估算器工具。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在選擇一款符合FPGA應(yīng)用需要的電源時(shí)，必須將很多因素考慮在內(nèi)。成本、尺寸，以及效率，始終是電源設(shè)計(jì)過程中需要注意的因素。不過，在FPGA應(yīng)用中，某些電源軌將會(huì)有不同的要求。內(nèi)核電源軌通常需要在線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)保持更加嚴(yán)格的精度。某些電源軌，比如說收發(fā)器，對(duì)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(xiàn)濾波或作為一個(gè)負(fù)載開關(guān)。

當(dāng)進(jìn)行符合容限要求方面的設(shè)計(jì)時(shí)，需要將全部的固定和動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件考慮在內(nèi)。首先，選擇一款基準(zhǔn)精度少于1%的穩(wěn)壓器，這為客戶預(yù)留了最大的設(shè)計(jì)裕量空間來處理負(fù)載瞬變等動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件。

在設(shè)計(jì)高速收發(fā)器電源軌時(shí)還需謹(jǐn)慎，因?yàn)檫@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(wěn)壓器 （LDO） 是這些電源軌的理想選擇。不過，當(dāng)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(nèi)保持在10mVpk-pk以下，就可以使用開關(guān)電源。專用FPGA數(shù)據(jù)表將包含與收發(fā)器需求相關(guān)的詳細(xì)技術(shù)規(guī)格。

電源排序是FPGA電源設(shè)計(jì)時(shí)的另外一個(gè)重要方面。由于有數(shù)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，這反過來防止了對(duì)器件的損壞。圖2中顯示的是針對(duì)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(duì)Zynq 7000系列SoC的處理器排序顯示在圖2中。

圖2：針對(duì)Virtex 7 FPGA的推薦加電序列。*VCCINT and VMGTAVCC可同時(shí)加電，只要它們?cè)赩MGTAVTT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(duì)于Xilinx 7/Zynq 7000系列器件來說，這些電源軌必須具有一個(gè)單調(diào)上升，并且必須在0.2ms至50ms的周期范圍內(nèi)加電，而對(duì)于Xilinx Ultrascale FPGA系列器件來說，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(shè)計(jì)注意事項(xiàng)已知的話，電源設(shè)計(jì)人員可以開始器件選型。有幾個(gè)選項(xiàng)可供選擇，諸如低壓降穩(wěn)壓器 （LDO）、開關(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)，通過導(dǎo)通晶體管大量散熱。它們通常適用于那些功率較低的應(yīng)用，以及那些要求低噪聲的應(yīng)用。

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

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

Webench FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)工具

Webench FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)工具（圖4）是一款十分有用的工具，能夠幫助電源設(shè)計(jì)人員在幾分鐘內(nèi)構(gòu)建數(shù)個(gè)FPGA電源軌。這個(gè)工具包含某些最近上市的FPGA的詳細(xì)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(diào)整到需要的水平上，而這款工具將形成一份綜合性的設(shè)計(jì)報(bào)告。

圖4：Webench FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)工具。

Sami Sirhan是德州儀器 （TI） 模擬產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷組的系統(tǒng)工程師，負(fù)責(zé)開發(fā)系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)。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)銷部門的電源與存儲(chǔ)器總監(jiān)。