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FPGA的功耗要求及电源解决方案

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  现场可编程门阵列(FPGA)被发现在许多原型和低到中等体积产品的核心。FPGA的主要优点是在开发过程中具有灵活性,简单的升级路径,更快的上市时间,以及相对较低的成本。一个关键的缺点是复杂性,FPGA经常采用复杂的片上系统(SOC)。

  这种复杂性对电力供应提出了苛刻的要求。为了应对这些挑战,电源需要多个输出和开关稳压器的组合效率和线性稳压器的清洁电源。

  本文介绍了FPGA的特殊功率要求,解释了如何为这些灵巧芯片设计电源,然后回顾了针对FPGA应用的功率模块的选择。


  计算系统的功率

  给FPGA供电似乎可以驱动整个系统。电源设计工程师面临着从三到15个电压轨(有时甚至更多)供应的挑战,而这仅仅是开始。FPGA通常采用最新的晶片制造技术制造,需要低的核心电压,但电源也必须为特殊的块和电路提供多个轨道,提供多个电压电平,为高功率块提供额外的电流,并满足噪声敏感元件的要求。

  为了使事情更复杂,即使是来自同一制造商的FPGAs也会有很大的变化,因此工程师必须为每个芯片选择最好的电源。这种选择取决于诸如每个轨道的电压和功率需求、Rails的排序要求和系统电源管理需求等因素。

  设计FPGA电源的第一步是识别单独的电压轨及其要求。FPGA供应商通常提供一个“引脚列表”,指定每个电源引脚的电压电平,该引脚连接到设备中的电压轨。例如,表1显示的电压轨为Altera公司的Stratix IV GX FPGA。


电压值

电压的名字

描述分享/隔离
FPGA的电压0.9 VVCCFPGA的核心能力分享
0.9 Vvccd _锁相环锁相环数字电源分享/隔离
1.2 V - 3.0 VVCCIOI/O电源电压、银行1-8分享
½ VCCIOVREF输入参考电压,银行1 8分享
1.5 VVCCPT可编程电源技术分享/隔离
1.8 V / 2.5 V / 3.0 VVCCPGM配置功率分享
2.5 VVCCCLKIN差分时钟输入功率分享
2.5 VVCCA_PLLPLL的模拟电源分享/隔离
2.5 VVCCAUX辅助电源分享/隔离
2.5 VVCCBAT电池备份,连接到电池隔离
2.5 V / 3.0 VVCCPD的I / O预驱动电源分享
收发器的电压0.9 VVCCHIP收发器硬IP数字电源分享
1.1 VVCCR收发信机模拟电源分享/隔离
1.1 VVCCT收发模拟电源分享/隔离
1.1 VVCCL_GXB收发时钟功率分享/隔离
1.4 V / 1.5 VVCCH_GXB收发信机输出缓冲功率分享/隔离
2.5 V / 3.0 VVCCA收发器高压电源分享/隔离


       表1:对电压轨的子集,Altera公司的Stratix IV GX。(由Altera提供)

  从表1可以看出,FPGA的Rails在不同的电压下运行,这取决于所提供的块。需求通常包括核心(为内部逻辑阵列供电)、I/O(驱动可以在银行中分组的I/O缓冲区、每个从不同的电压工作)、锁相环(在核心中供电PLL)、以及收发器(提供收发器、接收器和发射机的数字和模拟电路)。

  一旦确定了单独的电压轨,下一步是依次计算每一条钢轨的电流消耗。当前共享轨道的绘制应添加到所分析的轨道上,以获得该轨道的总数。FPGA生产商经常为此提供在线计算器。接下来,工程师应该把构成FPGA的所有元件的功率消耗加起来,以便准确估计整个芯片的功耗。

  在计算功耗之后,下一步是检查每条轨道的电压变化容限和最大电压纹波的规格。这些参数通常可以在FPGA的数据表中找到。

  负载调节规范标识电压调节器输出可能因负载变化而偏离的范围(mv)。如果电源来自开关DC - DC电压转换器(“开关调节器”),则负载调节的一个典型规格是5毫伏。如果电压轨指定在1.2 V,这只是一个0.4%的偏差。

  电压纹波是从毫伏的峰值到峰值测量的,其幅值取决于电压调节器的设计。输出滤波严重影响电压(电流)纹波性能。(见高新区的文章“电容器的选择是关键,良好的电压调节器的设计”。)大多数FPGA容忍到轨道电压2%或更高的电压纹波,这是在现代开关稳压器的性能。


  开关或线性稳压器?

  FPGA电源设计过程中的下一步是决定一个特定的轨道是否应该由开关调节器或线性调节器供电。对于提供诸如锁相环和收发器电路等噪声敏感电路的模拟电源轨道,需要特别注意。这些轨道上多余的噪音会影响电路性能。

  线性稳压器提供无纹波功率,功能快速响应,使用更简单,比开关设备占用更少的空间。对于噪声敏感的PLL和收发器轨道来说,它们是一个不错的选择。主要缺点是缺乏效率,特别是如果输出电压比输入低很多。

  开关稳压器是更高功率轨道的一种更好的选择,它们的效率比低噪音更为重要。它们是为FPGA的数字核心逻辑和I/OS供电的好选择,在这里,当前的要求很容易达到几十安培。开关稳压器的缺点是它更复杂,更大,需要更多的外部元件。(见高新区第“理解的优点和缺点的线性稳压器”。)

  由此产生的电源可能有点复杂,包括几个开关稳压器和线性稳压器在“电源树”(图2)。

  Altera FPGA电源的图像

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  图2:FPGA电源包括开关和线性稳压器。


  FPGA电源模块

  一种FPGA电源通常包括开关和线性调节器组合在一起,以提供不同的电压和稳定的功率以合理的效率。设计这样的电源不是很简单,但是可以通过把几个开关和线性调节器集成在一个芯片上的电源模块来简化电路。

  例如美心MAX8660功率模块,包含四个开关稳压器(运行在2兆赫,从而鼓励使用小型电感器)和四线性稳压器。开关稳压器自动从脉宽调制(PWM)切换到轻负荷运行,以降低工作电流和延长电池寿命。

  该器件提供输出电压范围从0.725-3.3 V(0.4-1.6一)的开关稳压器和1.7-3.3 V(30-500 Ma)的低压降(LDO)线性稳压器的所有操作从2.6至6 V的输入。

  该芯片还集成了电源管理功能和功能,如开/关控制输出,低电池检测,复位输出,以及双线I2C串行接口。

  Intersil的较小的FPGA应用程序提供isl9440。该芯片结合了三个开关稳压器与一个LDO线性稳压器。每个输出可低至0.8 V和器件工作于4.5-24 V电源。

  的isl9440提供内部软启动和独立使供电轨序列在一个紧凑的5 x 5毫米QFN封装,方便输入。该芯片采用内部环路补偿,以尽量减少外围部件的紧凑设计和低总的解决方案成本。

  德克萨斯仪器(TI)也提供电源模块,结合开关稳压器的效率与无噪音的线性稳压器供应。例如,在lm26480(图3)将两个1.5降压(“巴克”)开关稳压器和两个300 mA线性稳压器。该器件工作在2.8至5.5 V电源和第一开关稳压器供应0.8-2 V在1.5一而二提供1.0-3.3 V在1.5 A 2 MHz开关稳压器工作在高达96%的效率。线性稳压器提供高达300 mA 1-3.5 V。

  德克萨斯仪器lm26480图像

article-2015march-power-requirements-supply-solutions-fgpas-fig3.jpg

  图3:德克萨斯仪器lm26480集成了两个开关稳压器有两个线性稳压器。

  1. 电源也是影响FPGA很重要的因素。