FPGA:各种电源方案锦集

1.级联式电源方案1

设计使用了最常用的National Semiconductor（美国国家半导体）公司的LM1085的低压差电压芯片LM1085-3.3，以及国产AMS1117-1.2z这两款电源转换芯片。

（1）优点：电路简单，Layout方便

（2）缺点：由于FPGA内核功耗大于IO功耗，即1.2V的功耗大于3.3V的功耗，这势必导致3.3V转换芯片承受FPGA IO功耗的同时，承受更大的FPGA内核的功耗，因而LM1085-3.3需要更大的电流，即便这依然在LM1085-3.3的最大电流范围内，芯片由于功耗已经很烫了，这必然会影响到周边的器件，如果有对温度敏感的电路。

2.并联式电源方案2

为了解决3.3V转1.2V的缺陷，缓解LM1085-3.3的压力，升级方案1的设计，选择了双路LDO转换器的并行模块，这样没有优先级的转换，各自承受彼此的功耗，同时也能解决了LM1085-3.3热量过大的问题。

（1） 优点：解决了功耗与散热问题

（2） 电路上比方案1略麻烦

3.DCDC电源方案3

LDO与DCDC的的区别，可以通过各自特性区分：

LDO有一个很重要的参：压差，，一般至少为几百mV。且LDO的输入电流基本上是等于输出电流的，这导致如果输入输出的压降太大，耗在LDO上的能量就会很大，这将会导致转换效率不高。因此原设计中估算浪费了（1.7+3.8）/(5 + 5) = 55%的功耗，实在受不了了。

而DCDC是由开关方式实现的电压转换。如果输入电压和输出电压不是很接近，或者低于输出，就要考虑用DC/DC了。DC/DC的优点是：效率高，可以输出大电流，且静态电流小。同时自身损耗小。

因此升级方案2，最终此采用了美国芯源系统公司（MPS）的DCDC电源转换芯片MP2214来实现3.3V以及1.2V的电压转换，如上图所示。其中MP2144的主要特性如下：

① 支持2.5V-5V电压的输入。

② 最大输出电流为2A。

③ 高达1.2MHz的转换频率。

④ 输出电压可通过电阻调节。

⑤ 小封装SOT23-8。

⑥ 价格低至1-2RMB。

由于MP2114内部基准源为0.6V，设计中通过2个电阻实现调节比例，来实现不同电压的输出（这一点与LM1085.3.3类似）。如上图所示，200K与44.2K比例得到了3.3V电压，200K与200K比例，得到1.2V电压，并且每通道都支持2A的上限，这在设计上完全足够供给FPGA以及周边电路的使用。当然实际输出能力不仅取决于器件，还跟Layout有关，手册有推荐电路，为了最大程度的减少风险，设计者可以按扎手册依样画葫芦，如下是笔者的设计

4.专用电源管理IC方案

由于目前大部分处理器，包括DSP、ARM等都需要多种电源，电源种类之多，导致了不便于管理，因此也便有了电源管理芯片。针对类似于Altera Cyclone IV这种3电源的处理器，可以采用如上笔者设计的分立IC方案，也可以采用专用电源芯片。TI公司推出了针对Altera和Xilinx FPGAs的电源管理芯片，并且给出了多种不同需求的设计方案，网址如下：http://www.ti.com.cn/cn/lit/sg/zhct059/zhct059.pdf

针对3中电压需求的FPGA，典型的电源管理芯片有TPS75003，其推荐原理图如下所示：

从图中可见TPS75003与分立的DCDC类似，只需要简单的电容、电阻、电感等即可完成3通道电压的输出。该芯片主要有有以下特性：

① 集成两个效率为95%的3A Bulk控制器，调用可调至1.2V

② 集成1个300mA的LDO，电压可调至1.0V

③ 电压输出范围2.2~6.5V

相对于独立IC电源转换设计而言，采用电源管理芯片能够更好的设计电源，同时降低系统的功耗，更适用于系统的集成。不过由于电源管理芯片相对价格较高、需要的器件更多，布局布线上也没有独立IC那么灵活，同时受到货源的限制，因此笔者最后并没有采用此方案，而是灵活的使用分立DCDC电源转换方案。