[经验]

为FPGA 设计电源管理，有几点要素要牢记！

2018-7-16 16:02:17 2152

找到合适的电源解决方案寻找为 FPGA 供电的最佳解决方案并不简单。许多供应商以适合为 FPGA 供电的名义推销某些产品。为 FPGA 供电的 DC-DC 转换器选择有何特定要求？其实并不多。一般而言，所有电源转换器都可用来为 FPGA 供电。推荐某些产品通常是基于以下事实：许多FPGA应用需要多个电压轨，例如用于 FPGA 内核和 I/O，还可能需要额外的电压轨来用于 DDR 存储器。将多个DC-DC 转换器全部集成到单个稳压器芯片中的 PMIC（电源管理集成电路）常常是首选。

一种为特定 FPGA 寻找优秀供电解决方案的流行方法是使用许多 FPGA 供应商都提供的已有电源管理参考设计。这对于优化设计来说是一个很好的入门方式。但此类设计往往需要修改，因为

FPGA 系统通常需要额外的电压轨和负载，这些也需要供电；
在参考设计上增加一些东西常常也是必要的；
FPGA 的输入电源不是固定的，输入电压在很大程度上取决于实际的逻辑电平以及 FPGA 所实现的设计。

完成对电源管理参考设计的修改之后，它看起来将与最初的参考设计不同。可能有人会辩称，最好的解决方案是根本不用电源管理参考设计，而是直接将所需的电压轨和电流输入到电源管理选型与优化工具中，例如 ADI 公司的 LTpowerCAD 等。

图1. 通过 LTpowerCAD 工具选择合适的 DC-DC 转换器来为 FPGA 供电。
LTpowerCAD 可用来为各个电压轨提供电源解决方案。它还提供一系列参考设计，以让设计人员快速入门。LTpowerCAD 可以从 ADI 公司网站免费下载。☞下载链接：http://www.analog.com/cn/design-center/ltpowercad.html

如何优化实际解决方案以用于FPGA一旦选择了电源架构和各个电压转换器，就需要选择合适的无源元件来设计电源。做这件事时，需要牢记 FPGA 的特殊负载要求——

各项电流需求
电压轨时序控制
电压轨单调上升
快速电源瞬变
电压精度
FPGA 输入电容

各项电流需求
FPGA 的实际电流消耗在很大程度上取决于使用情况。不同的时钟和不同的FPGA 内容需要不同的功率。因此，在 FPGA 系统的设计过程中，典型 FPGA 设计的最终电源规格必然会发生变化。FPGA 制造商提供的功率估算工具有助于计算解决方案所需的功率等级。在构建实际硬件之前，获得这些信息会非常有用。但是，为了利用此类功率估算工具获得有意义的结果，FPGA 的设计必须最终确定，或者至少接近最终完成。

通常情况下，工程师设计电源时考虑的是最大 FPGA 电流。如果最终发现实际 FPGA 设计需要的功率更少，设计人员就会缩减电源。

电压轨时序控制
许多 FPGA 要求不同电源电压轨以特定顺序上电。内核电压的供应往往需要早于 I/O 电压的供应，否则一些 FPGA 会被损坏。为了避免这种情况，电源需要按正确的顺序上电。使用标准 DC-DC 转换器上的使能引脚，可以轻松实现简单的上电时序控制。然而，器件关断通常也需要时序控制。仅执行使能引脚时序控制，很难取得良好的结果。更好的解决办法是使用具有高级集成时序控制功能的 PMIC，例如 ADP5014。图2中用红色表示的特殊电路模块支持调整上电和关断时序。

图2. ADP5014 PMIC 集成了对灵活控制上电/关断时序的支持。
图 3 显示了利用此器件实现的时序控制。通过 ADP5014 上的延迟 (DL) 引脚可以轻松调整上电和关断时序的时间延迟。

图3. 多个FPGA电源电压的启动和关断顺序。
如果使用多个单独的电源，增加时序控制芯片便可实现所需的上电/关断顺序。一个例子是 LTC2924，它既能控制 DC-DC 转换器的使能引脚来打开和关闭电源，也能驱动高端 N 沟道 MOSFET 来将 FPGA 与某个电压轨连接和断开。

电压轨单调上升
除了电压时序之外，启动过程中还可能要求电压单调上升。这意味着电压仅线性上升，如图 4 中的电压 A 所示。此图中的电压 B 是电压非单调上升的例子。在启动过程中，当电压上升到一定电平时负载开始拉大电流，就会发生这种情况。防止这种情况的一种办法是延长电源的软启动时间，并选择能够快速提供大量电流的电源转换器。

图4. 电压A单调上升，电压B非单调上升。

快速电源瞬变
FPGA 的另一个特点是它会非常迅速地开始抽取大量电流。这会在电源上造成很高的负载瞬变。出于这个原因，许多 FPGA 需要大量的输入电压去耦。陶瓷电容非常靠近地用在器件的 VCORE 和 GND 引脚之间。高达 1 mF 的值非常常见。如此高电容有助于降低对电源提供非常高峰值电流的需求。但是，许多开关稳压器和 LDO 规定了最大输出电容。FPGA 的输入电容要求可能超过电源允许的最大输出电容。
电源不喜欢非常大的输出电容，原因有两点——

在启动期间，开关稳压器的输出电容看来像是短路的。对此问题有一个解决办法。较长的软启动时间可以让大电容组上的电压稳定地升高，电源不会进入短路限流模式。
图5. 很多FPGA的输入电容要求。

该电容值会成为调节环路的一部分。集成环路补偿的转换器不允许输出电容过大，以防止稳压器的环路不稳定。在高端反馈电阻上使用前馈电容常常可以影响控制环路，如图6所示。
图6. 当没有环路补偿引脚可用时，利用前馈电容可以调节控制环路。

针对电源的负载瞬变和启动行为，开发工具链（包括 LTpowerCAD，尤其是 LTspice）是非常有帮助的。该工具可以很好的建模和仿真，从而有效实现 FPGA 的大输入电容与电源的输出电容的去耦。图 6 就展示了这一概念。
虽然 POL（负载端）电源的位置往往靠近负载，但在电源和 FPGA 输入电容之间常常存在一些 PCB 走线。当电路板上有多个彼此相邻的 FPGA 输入电容时，离电源最远的那些电容对电源传递函数的影响较小，因为它们之间不仅存在一些电阻，还存在寄生走线电感。这些寄生电感允许 FPGA 的输入电容大于电源输出电容的最大限值，即使所有电容都连接到电路板上的同一节点也无妨。在 LTspice 中，可以将寄生走线电感添加到原理图中，并且可以模拟这些影响。当电路建模中包含足够的寄生元件时，仿真结果接近实际结果。

图7. 电源输出电容与FPGA输入电容之间的寄生去耦。

电压精度FPGA电源的电压精度通常要求非常高。3%的变化容差带是相当常见的。例如，为使0.85 V的Stratix V内核电压轨保持在3%的电压精度窗口内，要求全部容差带仅为25.5 mV。这个小窗口包括负载瞬变后的电压变化以及直流精度。同样，对于此类严格要求，包括LTpowerCAD和LTspice在内的可用电源工具链在电源设计过程中非常重要。

FPGA 输入电容为了快速提供大电流，FPGA 的输入电容通常选择陶瓷电容。此类电容很适合这种用途，但需要小心选择，使其真实电容值不随直流偏置电压而下降。一些陶瓷电容，尤其是 Y5U 型，当直流偏置电压接近其最大额定直流电压时，其真实电容值会降低到只有标称值的20%。