基于FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)優(yōu)秀電源管理解決方案

為FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)優(yōu)秀電源管理解決方案不是一項(xiàng)簡(jiǎn)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(shí)際解決方案以用于FPGA。

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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(jiǎn)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(gè)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(chǔ)器。將多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器全部集成到單個(gè)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(jì)。這對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)來說是一個(gè)很好的入門方式。但此類設(shè)計(jì)往往需要修改，因?yàn)镕PGA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(jì)上增加一些東西常常也是必要的。還有一件事需要考慮，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(shí)際的邏輯電平以及FPGA所實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。完成對(duì)電源管理參考設(shè)計(jì)的修改之后，它看起來將與最初的參考設(shè)計(jì)不同?？赡苡腥藭?huì)辯稱，最好的解決方案是根本不用電源管理參考設(shè)計(jì)，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(gè)電壓軌提供電源解決方案。它還提供一系列參考設(shè)計(jì)，以讓設(shè)計(jì)人員快速入門。LTpowerCAD可以從ADI公司網(wǎng)站免費(fèi)下載。

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

它們分別是：

• 各項(xiàng)電流需求

• 電壓軌時(shí)序控制

• 電壓軌單調(diào)上升

• 快速電源瞬變

• 電壓精度

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各項(xiàng)電流需求

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(shí)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(jì)過程中，典型FPGA設(shè)計(jì)的最終電源規(guī)格必然會(huì)發(fā)生變化。FPGA制造商提供的功率估算工具有助于計(jì)算解決方案所需的功率等級(jí)。在構(gòu)建實(shí)際硬件之前，獲得這些信息會(huì)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(jì)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(jì)電源時(shí)考慮的是最大FPGA電流。如果最終發(fā)現(xiàn)實(shí)際FPGA設(shè)計(jì)需要的功率更少，設(shè)計(jì)人員就會(huì)縮減電源。

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電壓軌時(shí)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)往往需要早于I/O電壓的供應(yīng)，否則一些FPGA會(huì)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(jiǎn)單的上電時(shí)序控制。然而，器件關(guān)斷通常也需要時(shí)序控制。僅執(zhí)行使能引腳時(shí)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(jí)集成時(shí)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(shí)序。

圖2. ADP5014 PMIC集成了對(duì)靈活控制上電/關(guān)斷時(shí)序的支持。

圖3顯示了利用此器件實(shí)現(xiàn)的時(shí)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(shí)序的時(shí)間延遲。

如果使用多個(gè)單獨(dú)的電源，增加時(shí)序控制芯片便可實(shí)現(xiàn)所需的上電/關(guān)斷順序。一個(gè)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(dòng)高端N溝道MOSFET來將FPGA與某個(gè)電壓軌連接和斷開。

圖3. 多個(gè)FPGA電源電壓的啟動(dòng)和關(guān)斷順序。

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電壓軌單調(diào)上升

除了電壓時(shí)序之外，啟動(dòng)過程中還可能要求電壓?jiǎn)握{(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(dòng)過程中，當(dāng)電壓上升到一定電平時(shí)負(fù)載開始拉大電流，就會(huì)發(fā)生這種情況。防止這種情況的一種辦法是延長(zhǎng)電源的軟啟動(dòng)時(shí)間，并選擇能夠快速提供大量電流的電源轉(zhuǎn)換器。