工程師經(jīng)驗談：合適的FPGA電源的選擇

　　現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是可以包括數(shù)千個典型的、可編程邏輯單元，一個由線和可編程開關(guān)的矩陣與單獨的邏輯單元互連，典型的設(shè)計包括指定每個單元的簡單邏輯功能和選擇性地關(guān)閉互連矩陣中的開關(guān)。

　　FPGA主要用于原型IC系統(tǒng)，當設(shè)計完成后，設(shè)計人員可以將邏輯轉(zhuǎn)換為以更高速度工作的硬連接線IC，為了能正常工作，FPGA必須采用適當?shù)碾娫垂芾砑夹g(shù)。

　　為現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA） 設(shè)計電源系統(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)用和終端市場中使用。常見示例包括通信、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、視頻和國防等應(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。雖然可能會有數(shù)不盡的應(yīng)用和系統(tǒng)，但是所有設(shè)計的一個共同特性就是它們?nèi)夹枰娫础?/p>

　　通常需要幾個電壓軌為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2：Virtex 7FPGA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(guī)劃的話，情況就會完全不同，事先規(guī)劃可以避免對電源軌的過度設(shè)計，從而避免花費太多，或者避免設(shè)計不充份，從而導(dǎo)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(jù)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(shù)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(jù)估算值來選擇合適的器件。

　　圖1：功率估算器工具。

　　設(shè)計注意事項

　　在選擇一款符合FPGA應(yīng)用需要的電源時，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，某些電源軌將會有不同的要求。內(nèi)核電源軌通常需要在線路、負載和溫度范圍內(nèi)保持更加嚴格的精度。某些電源軌，比如說收發(fā)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(xiàn)濾波或作為一個負載開關(guān)。

　　當進行符合容限要求方面的設(shè)計時，需要將全部的固定和動態(tài)運行條件考慮在內(nèi)。首先，選擇一款基準精度少于1%的穩(wěn)壓器，這為客戶預(yù)留了最大的設(shè)計裕量空間來處理負載瞬變等動態(tài)運行條件。

　　在設(shè)計高速收發(fā)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(wěn)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(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)的詳細技術(shù)規(guī)格。

　　電源排序是FPGA電源設(shè)計時的另外一個重要方面。由于有數(shù)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(fā)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。

　　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。

　　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(diào)上升，并且必須在0.2ms至50ms的周期范圍內(nèi)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(jīng)估算出合適的電流電平，并且全部設(shè)計注意事項已知的話，電源設(shè)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(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。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(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。

　　當需要的電流值大于2安培，并且效率更為重要的話，設(shè)計人員可以選擇開關(guān)模式電源 （SMPS）。這些器件在單相位配置中的效率可以達到90%以上，并且提供高達30A的電流。與LDO相比，它們的設(shè)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(zhuǎn)換器、功率金屬氧化物場效應(yīng)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(nèi)。由于全部組件已經(jīng)集成在一個封裝內(nèi)，并且僅需最少的外部組件，這樣可以減少設(shè)計時間。

　　Webench FPGA架構(gòu)設(shè)計工具

　　Webench FPGA架構(gòu)設(shè)計工具（圖4）是一款十分有用的工具，能夠幫助電源設(shè)計人員在幾分鐘內(nèi)構(gòu)建數(shù)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(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)計報告。

　　圖4：Webench FPGA架構(gòu)設(shè)計工具。