為現場可編程門陣列 （FPGA） 設計電源系統并非易事。FPGA 是高度可配置的半導體器件，用于一系列應用和終端市場。常見的例子包括通信、汽車、工業、醫療、視頻和國防。由于它們是高度可配置的，因此可以在它們周圍放置各種組件以形成最終的系統設計。盡管潛在應用和系統的列表可能無窮無盡，但所有設計的一個共同點是它們都需要電源。

為 FPGA 上電通常需要多個電壓軌。根據您的應用，您的主要輸入電源可能來自背板、隔離電源、非隔離電源，甚至是電池。從這些主要輸入中，通常會生成一個中間直流電壓來為 FPGA 的主電源軌供電。這些中間電壓通常為 5 V 或 12 V DC。表 1 和表 2 列出了 FPGA 的一些典型電壓軌、電壓和容差。

表 1： Virtex 7 FPGA 的電源要求。

表 2： Zynq 7000 系列 SoC 的電源要求。

確定每個軌的適當電流水平可能是一項棘手的任務，因為電流的范圍可以從幾百毫安到 60 A 及以上。提前計劃可以避免過度設計（支付太多）或設計不足（必須重新設計）電源軌的錯誤。FPGA 供應商提供了準確的工具，可根據您使用 FPGA 的方式估算最壞情況下的功耗。

賽靈思功耗估算器（ XPE），如圖 1 所示，涵蓋了賽靈思 FPGA 的多個系列。在該工具中，您可以選擇您正在使用的確切部件并輸入您的時鐘和配置信息，以確定您的電源需求，并根據估計做出適當的設備選擇。

圖 1：功耗估算器工具。

設計注意事項

在選擇適合 FPGA 應用的合適電源時，必須考慮許多因素。在設計任何電源時，成本、尺寸和效率始終是一個考慮因素，但在 FPGA 應用中，某些電源軌的要求與其他電源軌不同。核心導軌通常需要在線路、負載和溫度范圍內保持更嚴格的精度。某些電源軌（例如收發器）對噪聲更敏感，需要將其輸出保持在某個噪聲閾值以下。其他需要考慮的事情是，一些具有公共電壓的電源軌可以組合起來，并且可以使用鐵氧體磁珠進行濾波或負載開關進行隔離。

在設計以滿足公差要求時，請考慮所有固定和動態操作條件。首先，選擇參考精度低于 1% 的穩壓器，這樣您就有最大的設計余量來處理負載瞬態等動態工作條件。

高速收發器軌道的設計也必須謹慎，因為這些敏感軌道上的噪聲會降低性能并增加抖動。低壓差穩壓器 （LDO） 是這些電源軌的理想選擇。但當需要更高電流時，只要在 10 kHz 至 80 MHz 頻率范圍內輸出紋波通常保持在 10 mVpk-pk 以下，就可以使用開關電源。您的特定 FPGA 數據表將包含有關收發器要求的詳細規格。

電源排序是設計 FPGA 電源設計時要考慮的另一個重要方面。由于多個電源軌為 FPGA 供電，因此遵循推薦的電源順序可實現啟動時消耗的最小電流，從而防止損壞您的設備。圖 2 顯示了 Virtex 7 系列 FPGA 上邏輯和收發器供電軌的推薦上電供電順序。Zynq 7000 系列 SoC 的處理器順序如圖 3 所示。

圖 2：推薦的 Virtex 7 FPGA 上電順序。*VCCINT和VMGTAVCC可以同時上電，順序可以互換，只要它們都在VMGTAVTT之前啟動即可。

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圖 3： Zynq 7000 系列 SoC 的推薦上電順序。

對于 Xilinx 7/Zynq 7000 系列，這些電源軌必須具有單調上升并且必須在 0.2 ms 到 50 ms 的時間范圍內以及 Xilinx Ultrascale FPGA 系列的 0.2 到 40 ms 的時間內全部通電。推薦的掉電順序與上電順序相反。

電源解決方案

一旦估算出適當的電流水平并了解所有設計考慮因素，電源設計人員就可以開始選擇器件。有幾個選項可用，例如 LDO、SMPS 和集成模塊，每個選項都提供了一些權衡。例如，LDO 是為一些電流較低的 FPGA 供電軌供電的不錯選擇，因為它們簡單且輸出噪聲低。LDO 的缺點是效率低下，并且在較高電流下通過傳輸晶體管散發大量熱量。它們通常適用于低功耗應用和需要低噪聲的應用。

當需要超過幾安培且效率更為關鍵時，設計人員可以轉向開關模式電源 （SMPS）。這些器件的效率可以達到 90% 以上，并在單相配置中提供高達 30 A 的電流。與 LDO 相比，它們需要更多的設計工作，并且在較輕的負載下可能效率不高，但提供的好處包括在更高電流水平下的靈活性和效率。

LMZ31506 簡單開關器等電源模塊可以將 DC/DC 轉換器、功率 MOSFET、屏蔽電感器和無源器件集成到薄型 QFN 封裝中。這可以減少設計時間，因為所有東西都已經集成到一個封裝中，并且只需要最少的外部組件。

Webench FPGA架構師

Webench FPGA Architec t（圖 4）是一個有用的工具，可幫助電源設計人員在幾分鐘內構建多個 FPGA 電源軌。該工具包含最新可用 FPGA 的一些詳細供應要求。進入該工具后，您只需選擇您正在使用的確切 FPGA 并根據需要調整您的當前級別，該工具將匯編一份全面的設計報告。

圖 4： Webench FPGA 架構師。

作者：Sami Sirhan，Tamara Schmitz

審核編輯：郭婷