現(xiàn)場可編程門陣列的供電原理介紹
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當(dāng)一個(gè)邏輯器件從邏輯1切換到邏輯0時(shí)，或者從邏輯0切換到邏輯1時(shí)，包括電源的輸出結(jié)構(gòu)暫時(shí)變?yōu)榈妥杩範(fàn)顟B(tài)。每次轉(zhuǎn)換均要求對信號線進(jìn)行充電或放電，這就需要能量。旁路電容的功能是在本地儲存能量，以提供轉(zhuǎn)換所需的能量。
本地儲存能量必須在較寬的頻率范圍內(nèi)可用。低串聯(lián)電感的非常小的電容用來為高頻轉(zhuǎn)換提供快速電流。高頻電容能量耗盡之后，較大、較慢的電容繼續(xù)提供電流。FPGA技術(shù)要求三種頻率范圍內(nèi)的電容，即高、中、低頻率范圍。這些頻率的跨度為1kHz至500MHz。
正確放置對于高頻電容（1nF至100nF低電感陶瓷片式電容）非常重要；對于中頻電容（10μF至100μF鉭電容或陶瓷電容）和低頻電容(>470μF)，這種重要性依次降低。之所以與放置有關(guān)，原因很簡單：從電容引腳到FPGA電源引腳的路徑電感必須盡可能低。這意味著該路徑必須盡可能短，哪怕要穿過實(shí)體接地層或電源層。1英寸實(shí)心銅層的電感約為1nH，因此距離極為重要。旁路電容過孔必須直接下行至接地層或VCC層。
高頻旁路電容，無論是在VCCINT還是VCCIO上，均應(yīng)安裝在相關(guān)VCC引腳的1厘米范圍內(nèi)；中頻旁路電容則應(yīng)安裝在VCC引腳的3厘米范圍內(nèi)。低頻旁路電容可以安裝在合理范圍內(nèi)的電路板上任意位置。當(dāng)然，離FPGA越近越好。
較新的FPGA有輸入/輸出旁路要求，因此以前用于低速或低密度設(shè)計(jì)的電容類型可能無效。根據(jù)所用材料、結(jié)構(gòu)和值的不同，旁路電容在整個(gè)頻率范圍內(nèi)有不同的串聯(lián)電抗。通過查看各種系列的數(shù)據(jù)手冊，可以得知某些電容更適合當(dāng)前所考慮的應(yīng)用。
圖3中顯示了電容阻抗隨頻率的變化曲線。阻抗最小值位于電容的自諧振頻率；超過此頻率后，寄生引線電感在“電容”的電抗特性中占據(jù)主導(dǎo)地位。圖中，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)型X7R單芯片、10nF陶瓷1206片式電容在50MHz時(shí)的阻抗為0.2Ω。然而，在500MHz時(shí)，該電容的阻抗約為3Ω。當(dāng)有效阻抗增大，負(fù)載無法使用電容所儲存的能量時(shí)，電容即無效。同時(shí)還必須考慮溫度范圍和老化效應(yīng)。一些電容在室溫時(shí)阻抗較低，但在極端溫度時(shí)則表現(xiàn)不佳。當(dāng)電容值較大（100nF至330nF）時(shí)，Z5U電容在高頻時(shí)的ESR可能較低。不過，這種電容不宜在10℃以下使用。作為+20%、–80%額定器件，這種電容要求幾乎兩倍的設(shè)計(jì)值才能安全使用。選擇旁路電容系列時(shí)，最好查看電容制造商的數(shù)據(jù)手冊。
FPGA電源設(shè)計(jì)可能會(huì)涉及5A、10A甚至更高的電流在PCB走線中流動(dòng)。當(dāng)這種大電流存在并以開關(guān)模式（邊沿陡峭）隨時(shí)間變化時(shí)，顯而易見，噪聲、感應(yīng)電壓和電磁輻射(EMI)很可能出現(xiàn)，并可能導(dǎo)致電源工作異常。與配線電感相關(guān)的快速開關(guān)電流也可能會(huì)產(chǎn)生電壓瞬變，并導(dǎo)致其它問題。為使電感和接地環(huán)路最小，傳導(dǎo)高電流的PCB走線應(yīng)盡可能短。應(yīng)采用接地層結(jié)構(gòu)或單點(diǎn)接地，使外部元件盡可能靠近DC/DC轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)最佳效果。使用開口鐵芯電感時(shí)，必須特別注意這種電感的位置和定位，避免電感通量與敏感的反饋接地路徑和COUT配線相交。使用具有可調(diào)輸出的開關(guān)穩(wěn)壓器或控制器時(shí)，應(yīng)將反饋電阻和相關(guān)配線置于IC附近，并遠(yuǎn)離電感布置配線，尤其是開口鐵芯式電感。鐵氧體繞軸或鐵棒電感具有從繞軸一端經(jīng)空氣到達(dá)另一端的磁力線。這些磁力線會(huì)在電感磁場范圍內(nèi)的所有導(dǎo)線或PC板銅走線中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。銅走線中產(chǎn)生的電壓量由以下因素決定：磁場強(qiáng)度、PC銅走線相對于磁場的方向和位置，以及銅走線與電感之間的距離。
FPGA和穩(wěn)壓器的可靠性取決于散熱問題。這些器件的溫度主要受待機(jī)功耗和總功耗、外部容性負(fù)載（僅FPGA）、熱阻、環(huán)境溫度以及氣流等因素控制。必須有效管理這些因素，使結(jié)溫(Tj)始終低于制造商規(guī)定的最高溫度。
ADP2114同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器ADP2114,pdf datasheet (Synchronous Step-Down DC-to-DC Regulator)
ADP2114（圖4）是一款功能多樣的同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，可滿足各種客戶負(fù)載點(diǎn)要求。兩個(gè)PWM通道既可以配置為分別提供2A和2A（或3A/1A）電流的兩路獨(dú)立輸出，也可以配置為提供4A電流的單路交錯(cuò)式輸出。ADP2114可提供高功效，開關(guān)頻率最高可達(dá)2MHz。在輕負(fù)載時(shí)，該器件可以設(shè)置為脈沖跳躍模式工作，以便提高功效，或者設(shè)置為強(qiáng)制PWM模式工作，以便降低電磁干擾(EMI)。ADP2114還具有欠壓閉鎖(UVLO)、遲滯、軟啟動(dòng)和電源正常輸出指示等特性；保護(hù)特性有輸出短路保護(hù)和熱關(guān)斷等。可以利用極小電阻和電容對輸出電壓、電流限制、開關(guān)頻率、脈沖跳躍工作模式和軟啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行外部編程。
圖3 電容阻抗隨頻率的變化曲線
圖4 ADP2114同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器
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