為 FPGA 應用設計優秀電源管理解決方案不是一項簡單的任務，相關的技術討論有很多很多。今天小編要為大家分享的內容『FPGA 的電源管理』主要有兩個目的——

? 找到正確解決方案并選擇最合適的電源管理產品

? 如何優化實際解決方案使其用于 FPGA

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單。許多供應商以適合為 FPGA 供電的名義推銷某些產品。為 FPGA 供電的 DC-DC 轉換器選擇有何特定要求？其實并不多。一般而言，所有電源轉換器都可用來為 FPGA 供電。推薦某些產品通常是基于以下事實：許多FPGA應用需要多個電壓軌，例如用于 FPGA 內核和 I/O，還可能需要額外的電 壓軌來用于 DDR 存儲器。將多個DC-DC 轉換器全部集成到單個穩壓器芯片中的 PMIC（電源管理集成電路）常常是首選。

一種為特定 FPGA 尋找優秀供電解決方案的流行方法是使用許多 FPGA 供應商都提供的已有電源管理參考設計。這對于優化設計來說是一個很好的入門方式。但此類設計往往需要修改，因為

• FPGA 系統通常需要額外的電壓軌和負載，這些也需要供電；

• 在參考設計上增加一些東西常常也是必要的；

• 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際的邏輯電平以及 FPGA 所實現的設計。

完成對電源管理參考設計的修改之后，它看起來將與最初的參考設計不同。可能有人會辯稱，最好的解決方案是根本不用電源管理參考設計，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 轉換器來為 FPGA 供電。

LTpowerCAD 可用來為各個電壓軌提供電源解決方案。它還提供一系列參考設計，以讓設計人員快速入門。LTpowerCAD 可以從 ADI 公司網站免費下載。

如何優化實際解決方 案以用于FPGA

一旦選擇了電源架構和各個電壓轉換器，就需要選擇合適的無源元件來設計電源。做這件事時，需要牢記FPGA 的特殊負載要求——

• 各項電流需求 ?

• 電壓軌時序控制 ?

• 電壓軌單調上升 ?

• 快速電源瞬變 ?

• 電壓精度

• FPGA輸入電容

FPGA 的實際電流消耗在很大程度上取決于使用情況。不同的時鐘和不同的FPGA 內容需要不同的功率。因此，在 FPGA 系統的設計過程中，典型 FPGA 設計的最終電源規格必然會發生變化。FPGA 制造商提供的功率估算工具有助于計算解決方案所需的功率等級。在構建實際硬件之前，獲得這些信息會非常有用。但是，為了利用此類功率估算工具獲得有意義的結果，FPGA 的設計必須最終確定，或者至少接近最終完成。

通常情況下，工程師設計電源時考慮的是最大 FPGA 電流。如果最終發現實際 FPGA 設計需要的功率更少，設計人員就會縮減電源。

許多 FPGA 要求不同電源電壓軌以特定順序上電。內核電壓的供應往往需要早于 I/O 電壓的供應，否則一些 FPGA 會被損壞。為了避免這種情況，電源需要按正確的順序上電。使用標準 DC-DC 轉換器上的使能引腳，可以輕松實現簡單的上電時序控制。然而，器件關斷通常也需要時序控制。僅執行使能引腳時序控制，很難取得良好的結果。更好的解決辦法是使用具有高級集成時序控制功能的 PMIC，例如 ADP5014。圖2中用紅色表示的特殊電路模塊支持調整上電和關斷時序。

圖2. ADP5014 PMIC 集成了對靈活控制上電/關斷時序的支持。

圖 3 顯示了利用此器件實現的時序控制。通過 ADP5014 上的延遲 (DL) 引腳可以輕松調整上電和關斷時序的時間延遲。

圖3. 多個FPGA電源電壓的啟動和關斷順序。

如果使用多個單獨的電源，增加時序控制芯片便可實現所需的上電/關斷順序。一個例子是 LTC2924，它既能控制 DC-DC 轉換器的使能引腳來打開和關閉電源，也能驅動高端 N 溝道 MOSFET 來將 FPGA 與某個電壓軌連接和斷開。

除了電壓時序之外，啟動過程中還可能要求電壓單調上升。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 是電壓非單調上升的例子。在啟動過程中，當電壓上升到一定電平時負載開始拉大電流，就會發生這種情況。防止這種情況的一種辦法是延長電源的軟啟動時間，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非單調上升。

FPGA 的另一個特點是它會非常迅速地開始抽取大量電流。這會在電源上造成很高的負載瞬變。出于這個原因，許多 FPGA 需要大量的輸入電壓去耦。陶瓷電容非常靠近地用在器件的 VCORE 和 GND 引腳之間。高達 1 mF 的值非常常見。如此高電容有助于降低對電源提供非常高峰值電流的需求。但是，許多開關穩壓器和 LDO 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。

電源不喜歡非常大的輸出電容，原因有兩點——

• 在啟動期間，開關穩壓器的輸出電容看來像是短路的。對此問題有一個解決辦法。較長的軟啟動時間可以讓大電容組上的電壓穩定地升高，電源不會進入短 路限流模式。

  

  圖5. 很多FPGA的輸入電容要求。

• 該電容值會成為調節環路的一部分。集成環路補償的轉換器不允許輸出電容過大，以防止穩壓器的環路不穩定。在高端反饋電阻上使用前饋電容常常可以影響控制環路，如圖6所示。

  

  圖6. 當沒有環路補償引腳可用時，利用前饋電容可以調節控制環路。

針對電源的負載瞬變和啟動行為，開發工具鏈（包括 LTpowerCAD，尤其是 LTspice）是非常有幫助的。該工具可以很好的建模和仿真，從而有效實現 FPGA 的大輸入電容與電源的輸出電容的去耦。圖 6就展示了這一概念。

雖然 POL（負載端）電源的位置往往靠近負載，但在電源和 FPGA 輸入電容之間常常存在一些 PCB 走線。當電路板上有多個彼此相鄰的 FPGA 輸入電容時，離電源最遠的那些電容對電源傳遞函數的影響較小，因為它們之間不僅存在一些電阻， 還存在寄生走線電感。這些寄生電感允許 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 一節點也無妨。在 LTspice 中，可以將寄生走線電感添加到原理圖中，并且可以模擬這些影響。當電路建模中包含足夠的寄生元件時，仿真結果接近實際結果。

圖7. 電源輸出電容與FPGA輸入電容之間的寄生去耦。

FPGA電源的電壓精度通常要求非常高。3%的變化容差帶是相當 常見的。例如，為使0.85 V的Stratix V內核電壓軌保持在3%的電壓精度窗口內，要求全部容差帶僅為25.5 mV。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，對于此類嚴格要 求，包括LTpowerCAD和LTspice在內的可用電源工具鏈在電源設計 過程中非常重要。

為了快速提供大電流，FPGA的輸入電容通常選擇陶瓷電容。此類電容很適合這種用途，但需要小心選擇，使其真實電容值不隨直流偏置電壓而下降。一些陶瓷電容，尤其是 Y5U 型，當直流偏置電壓接近其最大額定直流電壓 時，其真實電容值會降低到只有標稱值的20%。