電源要求和電源解決方案的FPGA
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本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201808/387005.htm電源要求和電源解決方案的FPGA
現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)被發(fā)現(xiàn)在眾多的原型和低到中等批量產(chǎn)品的心臟。 FPGA的主要優(yōu)點是在開發(fā)過程中的靈活性，簡單的升級路徑，更快地將產(chǎn)品推向市場，并且成本相對較低。一個主要缺點是復(fù)雜，用FPGA往往結(jié)合了先進(jìn)的系統(tǒng)級芯片(SoC)。
這種復(fù)雜性使得電源上的苛刻要求。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，電源需要幾個輸出和開關(guān)穩(wěn)壓器的效率和線性穩(wěn)壓器的清潔電力的組合。
本文介紹的FPGA的特殊電源要求，說明了如何設(shè)計這些聰明的芯片的電源，然后回顧了一系列的針對FPGA應(yīng)用的電源模塊。
計算系統(tǒng)電源
供電的FPGA看起來像一個完整的系統(tǒng)供電。電源設(shè)計工程師面臨的3到15的電壓軌供給(有時甚至更多)的挑戰(zhàn);而這僅僅是開始。 FPGA是通常制造的使用需要低核心電壓的最新晶片制造技術(shù)，但是電源也必須供電多個導(dǎo)軌特種塊和電路，提供多個電壓電平，對于高功率模塊供給額外的電流，和滿足噪聲敏感元件的要求。
只是為了讓事情變得更加復(fù)雜，甚至FPGA的同一制造商可以差別很大，使其成為重要的是，工程師選擇每個芯片的最佳電源。這樣的選擇取決于多種因素，諸如電壓和功率需求為每個導(dǎo)軌，導(dǎo)軌'排序要求，以及系統(tǒng)的電源管理的需要。
在設(shè)計一個FPGA電源的第一步驟是確定各個電壓軌和他們的要求。 FPGA供應(yīng)商通常會提供一個“銷單”，用于指定每個供電引腳連接到設(shè)備的電壓軌的電壓電平。例如，表1顯示了一些電壓軌Altera的Stratix IV GX FPGA。
Type | Voltage Value | Voltage Name | Description | Share/Isolate |
FGPA voltages | 0.9 V | VCC | FPGA core power | Share |
0.9 V | VCCD_PLL | PLL digital power | Share/isolate | |
1.2 V - 3.0 V | VCCIO | I/O supply voltage, banks 1-8 | Share | |
½ VCCIO | VREF | Input reference voltage, banks 1-8 | Share | |
1.5 V | VCCPT | Programmable power technology | Share/isolate | |
1.8 V / 2.5 V / 3.0 V | VCCPGM | Configuration pin power | Share | |
2.5 V | VCCCLKIN | Differential clock input power | Share | |
2.5 V | VCCA_PLL | PLL analog power | Share/isolate | |
2.5 V | VCCAUX | Auxiliary power | Share/isolate | |
2.5 V | VCCBAT | Battery back up, connect to battery | Isolate | |
2.5 V / 3.0 V | VCCPD | I/O pre-driver power | Share | |
Transceiver voltages | 0.9 V | VCCHIP | Transceiver hard IP digital power | Share |
1.1 V | VCCR | Transceiver receiver analog power | Share/isolate | |
1.1 V | VCCT | Transceiver transmitter analog power | Share/isolate | |
1.1 V | VCCL_GXB | Transceiver clock power | Share/isolate | |
1.4 V / 1.5 V | VCCH_GXB | Transceiver transmit output buffer power | Share/isolate | |
2.5 V / 3.0 V | VCCA | Transceiver high voltage power | Share/isolate |
表1：電壓軌了Altera的Stratix IV GX的一個子集。 (Altera公司提供)
從表1可以看出，F(xiàn)PGA的軌道在根據(jù)塊被供電在幾個不同的電壓運行。要求通常包括核心(供電的內(nèi)部邏輯陣列)，I / O(驅(qū)動所述I / O緩沖器可以在銀行被分組，從一個不同的電壓的每個操作)，鎖相環(huán)(PLL)(供電中的PLL核心)，以及收發(fā)器(供給收發(fā)器，接收器和發(fā)射器中的數(shù)字和模擬電路)。
一旦個人電壓軌已經(jīng)確定，下一步是計算的電流消耗依次在每個軌道上。目前抽簽共享軌應(yīng)在分析被添加到鐵路上來，總該鐵路。 FPGA廠商通常提供的在線計算器用于這一目的。接著，工程師應(yīng)當(dāng)加起來所有構(gòu)成FPGA的，以便準(zhǔn)確地估計整個芯片的功耗的元件的功率消耗。
計算的功率消耗后，下一步驟是檢查規(guī)范電壓變化容限和最大電壓紋波為每個軌道。這些參數(shù)通常可以在FPGA中的數(shù)據(jù)表中找到。
負(fù)載調(diào)節(jié)規(guī)范確定的范圍內(nèi)(以mV)以內(nèi)的電壓調(diào)節(jié)器的輸出可能偏離了負(fù)載的變化。一個典型的規(guī)范負(fù)載調(diào)整為±5 mV時，如果電源是由開關(guān)型DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器導(dǎo)出(“開關(guān)穩(wěn)壓器”)。這僅僅是一個，如果在1.2 V指定的電壓軌0.4%的偏差
電壓紋波從峰到峰測量以mV，其大小依賴于的電壓調(diào)節(jié)器提供所分析的特定軌道的設(shè)計。輸出濾波嚴(yán)重影響電壓 - (電流)紋波性能。 (見技術(shù)專區(qū)的文章“電容的選擇是關(guān)鍵，以良好的電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計”。)大多數(shù)FPGA承受高達(dá)2%或軌電壓，這是非?，F(xiàn)代的開關(guān)穩(wěn)壓器的能力范圍之內(nèi)的好電壓紋波。
開關(guān)或線性穩(wěn)壓器?
在FPGA電源設(shè)計過程的下一步驟是確定是否一個特定的軌道應(yīng)該由一個開關(guān)調(diào)節(jié)器或線性調(diào)節(jié)器提供動力。特別需要注意的是針對提供噪聲敏感的電路，如PLL和收發(fā)器電路的模擬電源軌。這些軌噪聲過大可能會危及電路的性能。
線性穩(wěn)壓器提供無波動功率，具有快速的響應(yīng)，更簡單易用，并采取比開關(guān)設(shè)備的空間更小。它們是噪聲敏感的PLL和收發(fā)器軌道一個不錯的選擇。主要的缺點是缺乏效率的，尤其是當(dāng)輸出電壓比輸入低了很多。
開關(guān)穩(wěn)壓器的高電源軌，他們的更高的效率低于噪音更重要的是更好的選擇。它們是數(shù)字核心邏輯和I供電不錯的選擇/ FPGA中，其中電流的要求可以很容易地運行到幾十安培的O操作。的開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點是，它比較復(fù)雜，體積較大，并且需要更多的外部元件。 (見技術(shù)專區(qū)的文章“了解優(yōu)勢和線性穩(wěn)壓器的缺點”。)
由此產(chǎn)生的電源可以有點復(fù)雜，包括在“權(quán)力樹”(圖2)幾個開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。
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