大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）開發(fā)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)研究

摘要：以Xilinx的FPGA為例，介紹了FPGA開發(fā)系統(tǒng)的電源要求和功耗，并給出了采用線性低壓降（LDO）穩(wěn)壓器,DC/DC調(diào)整器,DC/DC控制器和電源模塊等幾種電源解決方案。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；電源設(shè)計(jì)；DC/DC變換器

1 引言

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的出現(xiàn)給電路設(shè)計(jì)帶來了極大的方便，目前，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域也采用FPGA來開發(fā)仿真驗(yàn)證平臺(tái)。這種開發(fā)系統(tǒng)的FPGA一般規(guī)模較大，功耗也相對較高，因此，其供電系統(tǒng)的好壞直接影響到整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，設(shè)計(jì)出高效率、高性能的FPGA供電系統(tǒng)具有極其重要的意義。

2 FPGA電源指標(biāo)要求

我們以Xilinx的FPGA為例，包括Virtex II，Virtex-II Pro，Spartan II和Spartan IIE系列，介紹FPGA的電源指標(biāo)要求。

2.1 額定電壓

FPGA對電源的要求與DSP非常相似，一般需要2.5V，1.8V或1.5V作為核心電壓，3.3V或2.5V作為I/O電壓，另外Virtex II和Virtex-II Pro還需要3.3V的輔助電壓。表1列舉了Xilinx不同系列FPGA的電壓需求。

表1 FPGA電壓需求

2.2 電壓上升時(shí)間

為了保證FPGA正常啟動(dòng)，核心電壓（VCCINT）的上升時(shí)間tr必須在特定的范圍內(nèi)，表2列舉了不同系列FPGA的這一指標(biāo)要求。此外，電壓上升必須單調(diào)，不允許有波動(dòng)。某些DC/DC變換芯片，比如TI的TPS5461X系列可以外部調(diào)節(jié)電壓上升時(shí)間，給設(shè)計(jì)帶來了方便。

表 2 核 心 電 壓 上 升 時(shí) 間 要 求

2.3 供電電壓順序

根據(jù)Xilinx的文檔，對于Virtex II和Virtex-II Pro系列FPGA沒有電壓順序要求，推薦所有的供電電壓同時(shí)上電，否則，可能產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流。對于Spartan－IIE系列，推薦核心電壓和I/O電壓同時(shí)供給。對于Spartan II系列上電順序可以任意。

設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，大部分情況下對于Xilinx的FPGA來說，核心電壓先于I/O電壓供給是個(gè)比較好的做法。

2.4 電流監(jiān)測和限制

對于Spartan II和Spartan IIE系列FPGA，電流監(jiān)測和限制一般不推薦使用，因?yàn)?，在核心電壓（VCCINT）上升至0.6V到0.8V之間時(shí)，該系列FPGA會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的啟動(dòng)涌入電流，如果存在監(jiān)測電路就會(huì)降低輸出電壓以限制電流，使電壓上升產(chǎn)生波動(dòng)。如果一定要采用監(jiān)測電路，啟動(dòng)限制電流不能低于核心電壓（VCCINT）額定電流的2倍。對于其他系列FPGA由于不存在涌入電流，所以無此要求。

2.5 電壓功耗估計(jì)

FPGA由一個(gè)未連接的電路單元陣列組成，通過用戶編程進(jìn)行配置。FPGA的電源功耗一般取決于以下因素：內(nèi)部資源的使用率，工作時(shí)鐘頻率，輸出變化率，布線密度，I/O電壓等，見表3。不同的應(yīng)用，電源實(shí)際功耗相差非常大。

表3 FPGA電源功耗因素

Xilinx的電源估計(jì)軟件是一個(gè)準(zhǔn)確估計(jì)各系列FPGA功耗的一個(gè)很好的工具。利用此工具我們得到了VirtexII系列FPGA的電流估計(jì)結(jié)果，見表4。表4中我們做了如下假定：輸出變化率25％（450MHz）和15％（100MHz）；邏輯單元使用率為100％；器件工作在單一頻率下；布線密度為中等；輸出負(fù)載電容為30pF；I/O使用率為100％；50％的I/0端口為輸入，其余的為輸出；輸出I/O中16個(gè)為DDR標(biāo)準(zhǔn)，其余的為SDR標(biāo)準(zhǔn)。