來源：ADI

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(shí)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(shí)：許多FPGA應(yīng)用需要多個電壓軌，例如用于 FPGA 內(nèi)核和 I/O，還可能需要額外的電 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)商都提供的已有電源管理參考設(shè)計。這對于優(yōu)化設(shè)計來說是一個很好的入門方式。但此類設(shè)計往往需要修改，因?yàn)?nbsp;

• FPGA 系統(tǒng)通常需要額外的電壓軌和負(fù)載，這些也需要供電；

• 在參考設(shè)計上增加一些東西常常也是必要的；

• 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(shí)際的邏輯電平以及 FPGA 所實(shí)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?？赡苡腥藭q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提供電源解決方案。它還提供一系列參考設(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(fèi)下載。下載鏈接：http://www.analog.com/cn/design-center/ltpowercad.html

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

• 各項(xiàng)電流需求 ? 

• 電壓軌時序控制 ? 

• 電壓軌單調(diào)上升 ? 

• 快速電源瞬變 ? 

• 電壓精度

• FPGA 輸入電容

FPGA 的實(shí)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)容需要不同的功率。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 制造商提供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(shí)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。如果最終發(fā)現(xiàn)實(shí)際 FPGA 設(shè)計需要的功率更少，設(shè)計人員就會縮減電源。

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)往往需要早于 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，電源需要按正確的順序上電。使用標(biāo)準(zhǔn) DC-DC 轉(zhuǎn)換器上的使能引腳，可以輕松實(shí)現(xiàn)簡單的上電時序控制。然而，器件關(guān)斷通常也需要時序控制。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. ADP5014 PMIC 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(shí)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。

圖3. 多個FPGA電源電壓的啟動和關(guān)斷順序。

如果使用多個單獨(dú)的電源，增加時序控制芯片便可實(shí)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。

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(dāng)電壓上升到一定電平時負(fù)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，并選擇能夠快速提供大量電流的電源轉(zhuǎn)換器。

圖4. 電壓A單調(diào)上升，電壓B非單調(diào)上升。

FPGA 的另一個特點(diǎn)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(fù)載瞬變。出于這個原因，許多 FPGA 需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(dá) 1 mF 的值非常常見。如此高電容有助于降低對電源提供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，原因有兩點(diǎn)——

• 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(jìn)入短 路限流模式。

  圖5. 很多FPGA的輸入電容要求。

• 該電容值會成為調(diào)節(jié)環(huán)路的一部分。集成環(huán)路補(bǔ)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(dāng)沒有環(huán)路補(bǔ)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(fù)載瞬變和啟動行為，開發(fā)工具鏈（包括 LTpowerCAD，尤其是 LTspice）是非常有幫助的。該工具可以很好的建模和仿真，從而有效實(shí)現(xiàn) FPGA 的大輸入電容與電源的輸出電容的去耦。 圖 6 就展示了這一概念。

雖然 POL（負(fù)載端）電源的位置往往靠近負(fù)載，但在電源和 FPGA 輸入電容之間常常存在一些 PCB 走線。當(dāng)電路板上有多個彼此相鄰的 FPGA 輸入電容時，離電源最遠(yuǎn)的那些電容對電源傳遞函數(shù)的影響較小，因?yàn)樗鼈冎g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(diǎn)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(dāng)電路建模中包含足夠的寄生元件時，仿真結(jié)果接近實(shí)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。

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(dāng) 常見的。例如，為使0.85 V的Stratix V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25.5 mV。這個小窗口包括 負(fù)載瞬變后的電壓變化以及直流精度。同樣，對于此類嚴(yán)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。

為了快速提供大電流，F(xiàn)PGA 的輸入電容通常選擇陶瓷電容。此類電容很適合這種用途，但需要小心選擇，使其真實(shí)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(dāng)直流偏置電壓接近其最大額定直流電壓 時，其真實(shí)電容值會降低到只有標(biāo)稱值的20%。

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