在這篇技術(shù)文章中，Aimtec公司將研究現(xiàn)代電源架構(gòu)如何幫助解決這些挑戰(zhàn)，并討論如何選擇電源模塊。本文還將考慮設(shè)計(jì)與購(gòu)買這些模塊化解決方案哪種更好。

現(xiàn)代電源架構(gòu)及向中間總線的過渡

在早期的系統(tǒng)中，大多數(shù)半導(dǎo)體采用5V供電，電源通常只是一個(gè)單元，有時(shí)帶有多個(gè)電壓軌，以便適應(yīng)多個(gè)模擬器件，并通過布線將電能分配到系統(tǒng)各處。可靠性至關(guān)重要的系統(tǒng)有時(shí)會(huì)以冗余配置的方式集成兩個(gè)(或多個(gè))電源。

大約25年前，半導(dǎo)體電壓開始向更低的電壓遷移，并且隨著電信系統(tǒng)的普及，基于電池電壓的48V供電變得越來越普遍。這時(shí)候就形成了分布式電源架構(gòu)(DPA)的概念，這種架構(gòu)解決了先前方法的一些缺點(diǎn)。

采用高壓總線(通常為48V)局部供電的電源轉(zhuǎn)換器稱為“磚”，這種轉(zhuǎn)換器可以執(zhí)行所需的邏輯電平轉(zhuǎn)換。隨著總線電壓提高十倍，電流成比例地減小，損耗也減小了電流降的平方。這種顯著的減少使得可以使用更細(xì)的電線，從而降低了系統(tǒng)成本和重量，同時(shí)仍然提高整體效率。

DPA的主要缺點(diǎn)是每個(gè)電源“磚”都包含隔離，這會(huì)降低效率，并增加尺寸、成本和復(fù)雜性。隨著大多數(shù)DPA系統(tǒng)都使用了好幾個(gè)磚，這個(gè)問題就變得非常重要。

圖1：DPA和IBA的比較

DPA的修改版——中間總線架構(gòu)(IBA)——可執(zhí)行從48V到半穩(wěn)定局部總線的轉(zhuǎn)換(盡管可使用多種電壓，但通常為12V)，從而解決這一問題。這些中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)可以提供隔離，并接入多個(gè)非隔離轉(zhuǎn)換器，從而執(zhí)行到半導(dǎo)體所需邏輯電平的轉(zhuǎn)換。

這種轉(zhuǎn)換器由于放置在它們所供電負(fù)載的附近，因此被稱為負(fù)載點(diǎn)(PoL)轉(zhuǎn)換器。這樣可以最大程度地減少大電流走線的長(zhǎng)度，減少損耗，并提高對(duì)負(fù)載波動(dòng)的快速響應(yīng)。

現(xiàn)代FPGA的電源需求

通常，F(xiàn)PGA需要提供若干嚴(yán)格穩(wěn)壓的不同電壓軌，并輔以上電時(shí)序，從而確保實(shí)現(xiàn)可靠的操作并避免損壞。需要供電的地方包括內(nèi)核、輸入/輸出和任何輔助功能。

內(nèi)核所需的電壓通常在0.9V和1.2V之間，并且容差為5%(有時(shí)以毫伏表示)，而I/O的電壓取決于所使用的數(shù)字I/O邏輯。一個(gè)系統(tǒng)中可以有多個(gè)I/O電壓。輔助電壓通常為2.5V，但是視具體的FPGA情況不同，范圍可能在0.9V至3.3V之間。為了不影響敏感電路，這個(gè)電源軌通常會(huì)設(shè)置濾波電路，以便消除任何紋波。