面向FPGA的電源管理

關于為FPGA應用設計一個好的電源管理解決方案，已經有很多技術討論，因為它不是一件容易的事。這項任務的一個方面涉及找到正確的解決方案并選擇最合適的電源管理產品，而另一個方面是如何優化實際解決方案以用于FPGA。

尋找合適的電源解決方案

找到為 FPGA 供電的最佳解決方案并非易事。許多供應商將某些產品推銷為適合為 FPGA 供電。是什么讓DC-DC轉換器的選擇專門用于為FPGA供電？不多。通常，所有電源轉換器都可用于為 FPGA 供電。對某些產品的建議通?；谝韵率聦崳涸S多FPGA應用需要多個電壓軌，例如FPGA內核、I/O，以及可能用于DDR存儲器端接的附加電壓軌。通常首選PMIC（電源管理集成電路），其中多個DC-DC轉換器全部集成到單個穩壓器芯片中。

找到為特定FPGA供電的良好解決方案的一種流行方法是使用預先存在的電源管理參考設計，許多FPGA供應商都提供這種設計。這是優化設計的良好起點。然而，通常需要對此類設計進行修改，因為具有FPGA的系統通常需要額外的電壓軌和負載，而這些電壓軌和負載也需要供電。通常還需要對參考設計進行補充。另一件需要考慮的事情是FPGA的輸入功率不是固定的。輸入電壓在很大程度上取決于實際邏輯電平和FPGA實現的設計。完成對電源管理參考設計的修改后，它看起來將與參考設計的原始建議不同。有人可能會說，最好的解決方案是甚至不費心于電源管理參考設計，而是將所需的電壓軌和電流直接輸入電源管理選擇和優化工具，例如ADI公司的LTpowerCAD。

LTpowerCAD可用于為各個電壓軌提供電源解決方案。它還提供了一系列參考設計，為設計人員提供了一個良好的起點。LTpowerCAD可從ADI公司網站免費下載。

一旦選擇了電源架構和單獨的電壓轉換器，我們就需要選擇合適的無源元件并設計電源。在執行此操作時，我們需要牢記FPGA的特殊負載要求。

這些是：

個性化電流要求

電壓軌排序

電壓軌的單調上升

快速功率瞬變

電壓精度

個性化電流要求

任何FPGA的實際電流消耗在很大程度上取決于用例。不同的時鐘和不同的FPGA內容需要不同的功率。因此，典型FPGA設計的最終電源規格在FPGA系統設計過程中必然會發生變化。FPGA 制造商提供功耗估算工具，幫助計算解決方案所需的功率電平類型。在構建實際硬件之前，此信息非常有用。盡管如此，FPGA的設計仍然是最終的，或者至少接近最終的，才能使用這種功耗估算器獲得有意義的結果。

通常，工程師在設計電源時會考慮最大FPGA電流。然后，如果事實證明實際的FPGA設計需要較少的功率，則縮小電源。

電壓軌排序

許多FPGA需要不同的電源電壓軌才能按特定順序出現。通常，在I/O電壓出現之前需要提供內核電壓。否則，某些FPGA將被損壞。為避免這種情況，需要按正確的順序對電源進行排序。通過在標準DC-DC轉換器上使用使能引腳，可以輕松完成簡單的上排序。然而，通常還需要受控的下序。當僅執行使能引腳排序時，很難獲得良好的結果。更好的解決方案是使用具有高級集成時序功能的PMIC，例如ADP5014。支持可調上序和反向順序下序運算的特殊電路模塊在圖2中以紅色表示。

圖2.ADP5014 PMIC集成支持靈活的上序和下序。

圖3顯示了使用該器件完成的排序。上序和下序時序的時間延遲可通過ADP5014上的延遲（DL）引腳輕松調整。

如果使用單獨的電源，則額外的排序芯片可以處理所需的開/關排序。LTC2924 就是一個例子，它可以控制 DC-DC 轉換器的使能引腳以接通和關斷電源，或者能夠驅動高側 N 溝道 MOSFET 以將 FPGA 連接和分離到某個電壓軌。

圖3.多個FPGA電源電壓的啟動和關斷時序。

電壓軌的單調上升

除了電壓排序之外，啟動期間電壓的單調上升也可能是必要的。這意味著電壓只會線性上升，如圖4中的電壓A所示。此圖中的電壓B顯示了電壓不單調上升的示例。當負載在啟動期間開始在某個電壓電平下拉動大電流時，就會發生這種情況。防止這種情況的一種方法是允許電源的軟啟動時間更長，并選擇能夠快速提供大量電流的電源轉換器。

圖4.電壓 A 單調上升，電壓 B 不單調上升。

快速功率瞬變

FPGA的另一個特點是FPGA很快開始吸收高電流。它們會在電源上引起高負載瞬變。因此，許多FPGA需要大量的輸入電壓去耦。陶瓷電容器在V之間使用得非常緊密核心以及器件的 GND 引腳。高達 1 mF 的值很常見。如此高的電容有助于減少對電源的需求，以提供非常高的峰值電流。但是，許多開關穩壓器和LDO都規定了最大輸出電容。FPGA的輸入電容要求可能超過電源允許的最大輸出電容。

電源不喜歡巨大的輸出電容器，因為在啟動期間，該電容器組看起來像是開關穩壓器輸出短路。這個問題有一個解決方案。較長的軟啟動時間允許大型電容器組上的電壓可靠地上升，而無需電源進入短路電流限制模式。

圖5.許多 FPGA 的輸入電容要求。

一些功率轉換器不喜歡過大的輸出電容的另一個原因是，該電容值成為調節環路的一部分。具有集成環路補償的轉換器不允許過大的輸出電容，以防止穩壓器的環路不穩定。通常，可以通過在高端反饋電阻兩端使用前饋電容來影響控制環路，如圖6所示。

圖6.前饋電容，允許在沒有環路補償引腳可用時進行控制環路調整。

對于電源的負載瞬態和啟動行為，包括LTpowerCAD在內的開發工具鏈，尤其是LTspice非常有用。一種非常適合建模和仿真的效果是FPGA的大輸入電容與電源輸出電容的去耦。圖 6 顯示了此概念。雖然POL（負載點）電源往往靠近負載，但電源和FPGA輸入電容之間通常有一些PCB走線。當電路板上有多個相鄰的FPGA輸入電容時，距離電源最遠的電容對電源的傳遞函數的影響較小，因為它們之間存在一些電阻，但也存在寄生走線電感。這些寄生板電感允許FPGA的輸入電容大于電源輸出電容的最大限值，即使所有電容都連接到電路板上的同一節點。在LTspice中，可以將寄生走線電感添加到原理圖中，并且可以對此類效應進行建模。當電路建模中包含足夠的寄生元件時，仿真結果接近現實。

圖7.電源輸出電容和FPGA輸入電容之間的寄生去耦。

電壓精度

FPGA電源的電壓精度通常需要相當高。只有3%的變異公差帶是很常見的。例如，在3%電壓精度窗口內將Stratix V內核電源軌保持在0.85 V，只需要25.5 mV的完整容差范圍。這個小窗口包括負載瞬變后的電壓變化以及直流精度。同樣，包括LTpowerCAD和LTspice在內的可用電源工具鏈在滿足如此嚴格要求的電源設計過程中至關重要。

最后一條建議是關于FPGA輸入電容的選擇。為了快速提供大電流，通常選擇陶瓷電容器。它們適用于此目的，但需要選擇它們，以便其真實電容值不會隨直流偏置電壓而下降。一些陶瓷電容器，特別是Y5U型電容器，當直流電壓接近其最大額定直流電壓時，其真實電容值將變為標稱面值的20%。