為FPGA應(yīng)用設(shè)計優(yōu)秀電源管理解決方案不是一項簡單的任務(wù)，相關(guān)技術(shù)討論有很多。本文一方面旨在找到正確解決方案并選擇最合適的電源管理產(chǎn)品，另一方面則是如何優(yōu)化實際解決方案以用于FPGA。

找到合適的電源解決方案

尋找為FPGA供電的最佳解決方案并不簡單。許多供應(yīng)商以適合為FPGA供電的名義推銷某些產(chǎn)品。為FPGA供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇有何特定要求？其實并不多。一般而言，所有電源轉(zhuǎn)換器都可用來為FPGA供電。推薦某些產(chǎn)品通常是基于以下事實：許多FPGA應(yīng)用要多個電壓軌，例如用于FPGA內(nèi)核和I/O，還可能要額外的電壓軌來用于DDR存儲器。將多個DC-DC轉(zhuǎn)換器全部集成到單個穩(wěn)壓器芯片中的PMIC（電源管理集成電路）常常是首選。

一種為特定FPGA尋找優(yōu)秀供電解決方案的流行方法是使用許多FPGA供應(yīng)商都供應(yīng)的已有電源管理參考設(shè)計。這關(guān)于優(yōu)化設(shè)計來說是一個很好的入門方式。但此類設(shè)計往往要修改，因為FPGA系統(tǒng)通常要額外的電壓軌和負載，這些也要供電。在參考設(shè)計上新增一些東西常常也是必要的。還有一件事要考慮，那就是FPGA的輸入電源不是固定的。輸入電壓在很大程度上取決于實際的邏輯電平以及FPGA所實現(xiàn)的設(shè)計。完成對電源管理參考設(shè)計的修改之后，它看起來將與最初的參考設(shè)計不同。可能有人會辯稱，最好的解決方案是根本不用電源管理參考設(shè)計，而是直接將所需的電壓軌和電流輸入到電源管理選型與優(yōu)化工具中，例如ADI公司的LTpowerCAD等。

圖1.通過LTpowerCAD工具選擇合適的DC-DC轉(zhuǎn)換器來為FPGA供電。

LTpowerCAD可用來為各個電壓軌供應(yīng)電源解決方案。它還供應(yīng)一系列參考設(shè)計，以讓設(shè)計人員快速入門。LTpowerCAD可以從ADI公司網(wǎng)站免費下載。

一旦選擇了電源架構(gòu)和各個電壓轉(zhuǎn)換器，就要選擇合適的無源元件來設(shè)計電源。做這件事時，要牢記FPGA的特殊負載要求。

它們分別是：

1.各項電流需求

2.電壓軌時序控制

3.電壓軌單調(diào)上升

4.快速電源瞬變

5.電壓精度

6.各項電流需求

FPGA的實際電流消耗在很大程度上取決于使用情況。不同的時鐘和不同的FPGA內(nèi)容要不同的功率。因此，在FPGA系統(tǒng)的設(shè)計過程中，典型FPGA設(shè)計的最終電源規(guī)格必然會發(fā)生變化。FPGA制造商供應(yīng)的功率估算工具有助于計算解決方案所需的功率等級。在構(gòu)建實際硬件之前，獲得這些信息會非常有用。但是，為了利用此類功率估算工具獲得有意義的結(jié)果，F(xiàn)PGA的設(shè)計必須最終確定，或者至少接近最終完成。

通常情況下，工程師設(shè)計電源時考慮的是最大FPGA電流。假如最終發(fā)現(xiàn)實際FPGA設(shè)計要的功率更少，設(shè)計人員就會縮減電源。

電壓軌時序控制

許多FPGA要求不同電源電壓軌以特定順序上電。內(nèi)核電壓的供應(yīng)往往要早于I/O電壓的供應(yīng)，否則一些FPGA會被損壞。為了避免這種情況，電源要按正確的順序上電。使用標準DC-DC轉(zhuǎn)換器上的使能引腳，可以輕松實現(xiàn)簡單的上電時序控制。然而，器件關(guān)斷通常也要時序控制。僅執(zhí)行使能引腳時序控制，很難取得良好的結(jié)果。更好的解決辦法是使用具有高級集成時序控制功能的PMIC，例如ADP5014。圖2中用紅色表示的特殊電路模塊支持調(diào)整上電和關(guān)斷時序。

圖2.ADP5014PMIC集成了對靈活控制上電/關(guān)斷時序的支持。

圖3顯示了利用此器件實現(xiàn)的時序控制。通過ADP5014上的延遲(DL)引腳可以輕松調(diào)整上電和關(guān)斷時序的時間延遲。

假如使用多個單獨的電源，新增時序控制芯片便可實現(xiàn)所需的上電/關(guān)斷順序。一個例子是LTC2924，它既能控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的使能引腳來打開和關(guān)閉電源，也能驅(qū)動高端N溝道MOSFET來將FPGA與某個電壓軌連接和斷開。

圖3.多個FPGA電源電壓的啟動和關(guān)斷順序。

電壓軌單調(diào)上升

除了電壓時序之外，啟動過程中還可能要求電壓單調(diào)上升。這意味著電壓僅線性上升，如圖4中的電壓A所示。此圖中的電壓B是電壓非單調(diào)上升的例子。在啟動過程中，當電壓上升到一定電平時負載開始拉大電流，就會發(fā)生這種情況。防止這種情況的一種辦法是延長電源的軟啟動時間，并選擇能夠快速供應(yīng)大量電流的電源轉(zhuǎn)換器。

圖4.電壓A單調(diào)上升，電壓B非單調(diào)上升。

快速電源瞬變

FPGA的另一個特點是它會非常迅速地開始抽取大量電流。這會在電源上造成很高的負載瞬變。出于這個原因，許多FPGA要大量的輸入電壓去耦。陶瓷電容非常靠近地用在器件的VCORE和GND引腳之間。高達1mF的值非常常見。如此高電容有助于降低對電源供應(yīng)非常高峰值電流的需求。但是，許多開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO規(guī)定了最大輸出電容。FPGA的輸入電容要求可能超過電源允許的最大輸出電容。

電源不喜歡非常大的輸出電容，因為在啟動期間，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電容看來像是短路的。對此問題有一個解決辦法。較長的軟啟動時間可以讓大電容組上的電壓穩(wěn)定地升高，電源不會進入短路限流模式。

圖5.很多FPGA的輸入電容要求。

一些電源轉(zhuǎn)換器不喜歡過大輸出電容的另一個原因是該電容值會成為調(diào)節(jié)環(huán)路的一部分。集成環(huán)路補償?shù)霓D(zhuǎn)換器不允許輸出電容過大，以防止穩(wěn)壓器的環(huán)路不穩(wěn)定。在高端反饋電阻上使用前饋電容常常可以影響控制環(huán)路，如圖6所示。

圖6.當沒有環(huán)路補償引腳可用時，利用前饋電容可以調(diào)節(jié)控制環(huán)路。

針對電源的負載瞬變和啟動行為，開發(fā)工具鏈（包括LTpower-CAD，尤其是LTspice）非常有幫助。該工具可以很好的建模和仿真，從而有效實現(xiàn)FPGA的大輸入電容與電源的輸出電容的去耦。圖6展示了這一概念。雖然POL（負載端）電源的位置往往靠近負載，但在電源和FPGA輸入電容之間常常存在一些PCB走線。當電路板上有多個彼此相鄰的FPGA輸入電容時，離電源最遠的那些電容對電源傳遞函數(shù)的影響較小，因為它們之間不僅存在一些電阻，還存在寄生走線電感。這些寄生電感允許FPGA的輸入電容大于電源輸出電容的最大限值，即使所有電容都連接到電路板上的同一節(jié)點也無妨。在LTspice中，可以將寄生走線電感添加到原理圖中，并且可以模擬這些影響。當電路建模中包含足夠的寄生元件時，仿真結(jié)果接近實際結(jié)果。

圖7.電源輸出電容與FPGA輸入電容之間的寄生去耦。

電壓精度

FPGA電源的電壓精度通常要求非常高。3%的變化容差帶是相當常見的。例如，為使0.85V的StratixV內(nèi)核電壓軌保持在3%的電壓精度窗口內(nèi)，要求全部容差帶僅為25.5mV。這個小窗口包括負載瞬變后的電壓變化以及直流精度。同樣，關(guān)于此類嚴格要求，包括LTpowerCAD和LTspice在內(nèi)的可用電源工具鏈在電源設(shè)計過程中非常重要。

最后一點建議是關(guān)于FPGA輸入電容的選擇。為了快速供應(yīng)大電流，通常選擇陶瓷電容。此類電容很適合這種用途，但要小心選擇，使其真實電容值不隨直流偏置電壓而下降。一些陶瓷電容，尤其是Y5U型，當直流偏置電壓接近其最大額定直流電壓時，其真實電容值會降低到只有標稱值的20%。