基于FPGA的系統正變得越來越普遍，因其具有通過代碼增加特性或者實現改進的靈活性，許多設計人員都鐘愛FPGA型構架。但是設計出一款合格的電源需要面對許多挑戰，首先是多電源軌問題。FPGA至少需要一個電壓用于驅動內核，一個（或者多個）電壓用于驅動I/O觸排。然而，基于FPGA的系統可能會要求更多的軌，用于驅動雙倍數據速率（DDR）內存、收發器、以太網物理層IC（PHY）、ADC或者小型微控制器。另外，這些電壓軌需要有專門的架構：次1.25V輸出、單調上升、排序和受控上升時間等。

　　盡管設計工程師和半導體制造廠商始終致力于提供集成、易用型替代方法，但在許多時候設計人員仍會利用現有功能，實現遠超傳統數據表電路的最佳解決方案。在這篇文章中，我們將探討幾種可用作單片FPGA電力供應的市售多輸出穩壓器，并了解如何通過一些現有帶隙穩壓器實現次1.25V輸出。

　　圖1顯示了一個使用單片電源供電FPGA（如Altera公司的Cyclone器件）的典型應用簡化結構圖。TI公司的LM2717是一款集成雙輸出開關式穩壓器IC，可向內核提供2A電流（3.2A峰值），1.5V電壓，向I/O提供1.5A電流（2.2A峰值），3.3V電壓。

　　圖1 1.5V內核和3.3V I/O中等功耗FPGA的LM2717雙集成開關模式電源

　　LM2717是一款中等功耗、單片解決方案，擁有實現緊湊型、90%以上效率電源所需的簡易性和靈活性，可通過各種電源達到包括FPGA在內的許多數字多軌系統規范要求：5V、12V或者4V到20V范圍內的傳統電源適配器。LM2717擁有一個可調節輸出和一個3.3V的固定輸出（常見軌），其通過在輸出端安裝內部輸出電壓設置電阻器幫助節省空間和提高輸出電壓精度。LM2717-ADJ是原版LM2717 IC的改進版，其允許兩個輸出均為可調節輸出，這在需要不同I/O電壓的情況下非常有用。

　　Altera公司關于Cyclone和Cyclone II以及許多其他最新一代FPGA（例如：Xilinx Spartan 3E）的技術文獻表明，這些FPGA在通電期間不要求對其電壓軌進行任何特定排序。但是，系統需要或者為其他FPGA供電時，單個激活引腳（SHDN1 & SHDN2）仍然會出現在LM2717上，目的是在某個具體時間或者以某個特定的順序開啟每個輸出。同樣，單獨的軟啟動引腳（SS1和SS2）允許LM2717為每個輸出電壓設置不同的上升時間，以滿足單個FPGA和其他數字內核的制造廠商規范。

　　圖2顯示了一個由LM3370（一種雙600mA每通道集成同步降壓穩壓器）供電的低功耗1.2V、90nm FPGA（Xilinx的Spartan 3L）。

　　圖2 1.2V內核和2.5V I/O以及VCCAUX低功耗FPGA的LM3370雙集成同步開關式電源

　　我們可以用50mV步進（核心電源理想值）把一條通道的電壓從1V調節至2V，同時對另一條通道進行編程用100 mV步進（I/O電源理想值）把輸出從1.8V調節至3.3V。每個輸出都有單獨的激活引腳、內部軟啟動、快速瞬態響應和上電重置標記，使這種IC成為一種單片最少外部組件解決方案，是驅動低功耗FPGA和其他多軌數字內核的最佳選擇。

　　由于有預編程輸出電壓和單獨激活引腳，因此使用LM3370很方便。板上I2C兼容接口允許用戶修改IC的各種參數（即使是動態地修改），從而獲得更高的靈活性。這些參數包括輸出電壓設置（每條通道）、輸出激活（每條通道）、開關模式選擇（自動PWM-PFM，實現輕負載條件下的高效率；固定PWM，實現固定頻率工作）、擴展頻譜特性激活和擴展頻譜頻率范圍選擇。

　　96%高效率LP3906擁有數字可編程靈活性

　　LP3906具有2個可編程降壓穩壓器，用于支持內核和其他高電流軌；2個可編程LDO，用于支持內部處理器功能和外圍設備；另有I2C獨立控制LP3906和外圍設備。

　　圖3 LP3906結構

　　圖4所示簡化結構圖顯示了一個三軌、高功耗FPGA電源的實現。在這種情況下，LM2633控制器向Xilinx Virtex5內核提供1.0V電壓，向I/O提供3.3V，并為VCCAUX提供2.5V。LM2633是一種三輸出IC，它是如何實現技術舊為新用的一個完美例子，其突破了原有的應用傳統。三個LM2633輸出中的兩個使用一個同步整流降壓構架，向中高電流負載（5A到15A每條通道）提供最大效率，同時它還集成了一個LDO控制器，用于第三個低功耗輸出。開關式輸出之一有一個介于0.900到2.000之間的電壓范圍，使其成為數字器件內核供電的完美選擇。第二個開關式輸出范圍為1.25V到6V，足以供電I/O、內存和其他負載。為了實現更高的精確度和靈活性，通過一個5比特并行數字字實現低電壓輸出可編程性，其可以硬接線或者靠近連接某個處理器，以在需要時實現動態電壓調節。

　　圖4 1.0V內核、3.3V I/O和2.5V VCCAUX高功耗FPGA的LM2633三開關式/線性控制器電源

　　對于一些僅需要一個次1.25V輸出的雙同步降壓控制器的應用而言，LM2657提供了一種引腳數目封裝更少的優秀替代方案。對于那些需要三個或者四個軌的更低功耗應用，LP3906也是一種優異的替代方案，它擁有兩個全集成1.5A同步開關式輸出和2個300mA LDO輸出，所有這些都包括在一個單封裝中。

　　如前例所示，目前大多數FPGA均要求1.50V、1.20V甚至更低的內核電壓（如Xilinx最新的Virtex 5系列FPGA，其擁有一個1.0V 65nm內核）。市場上的許多穩壓器均有一個1.25V的常規帶隙基準電壓。圖4和5顯示了如何利用常規帶隙IC（如LM2717）驅動這類次帶隙數字負載的簡化結構圖例子。電壓轉換器的基本工作原理仍然相同，但是參考電阻式分壓器對穩壓器輸出電壓進行編程的方式不同。

　　LP3879特性

　　l LP3879 800mA LDO擁有±1%初始輸出精度

　　l 輸入電壓：2.5V到6.0V

　　l 自定義電壓從1.0V到1.2V

　　l 關機靜態電流小于10μA

　　l 18 μV低輸出降低噪聲

　　l 可用于PSOP-8和LLP-8面貼封裝

　　在任何閉環穩壓器電路中，將輸出電壓經過電阻分壓器降壓調節以后，再同某個內部基準電壓進行比較。如果該基準電壓為1.25V，則需要對輸出電壓的降壓后采樣（通過FB引腳注入至穩壓器IC）進行設置，以匹配該值，從而維持調控。在典型系統中，該FB分壓器放置在輸出（最高電勢）和接地（最低電勢）之間，因為FB電壓（1.25V）維持在該范圍內。在要求輸出電壓低于內部基準值的系統中，我們仍然需要向FB引腳提供一個匹配電壓（1.25V），但是該值不會降至VOUT（現在更低）和接地之間。通過在VOUT（現在變為最低電勢和分壓器的低端）和任何1.25V以上輔助電壓（起高電勢作用）之間放置分壓器，可以實現上述目標。

　　圖5所示舉例使用阿爾特拉公司的Cyclone II 1.20V FPGA和國家半導體公司的LM2717，旨在說明這種配置的最簡單實現方法，其高壓為3.3V軌本身。這種軌的充分濾波和良好布局很重要（我們建議，去耦陶瓷電容器靠近電阻式分壓器低端接觸3.3V軌的地方），因為次帶隙輸出的調節依賴于該軌的穩定性。排序也很重要，因為3.3V軌需要在內核電壓輸出開啟以前出現以實現正確的調節。

　　圖5 使用3.3V軌作為次1.25V內核電壓生成輔助電壓的LM2717 1.2V內核、3.3V I/O雙集成開關式FPGA電源

　　在大多數FPGA中，額定1.20V或者1.0V內核電源電壓需要穩定在±50 mV或者±60 mV以內，因此所有瞬態、紋波和容差變化需保持在該限制內。

　　圖6 一個LM4040分流基準用于次1.25V內核電壓生成的LM2717 1.2V內核、3.3V I/O雙集成開關式FPGA電源

　　圖6顯示了一種使用獨立電源為輔助軌供電實現次帶隙輸出的替代方法，此處為一個小型、低成本分流基準（精密齊納二極管），例如：LM4040CIM3-2.5 （0.5%）或者LM4040DIM3-2.5（1%）。這種方法讓3.3V輸出中出現的潛在瞬態不會交叉耦合至1.20V輸出調節。另外，它還允許3.3V軌在1.2V軌之后上電，或者在不妨礙1.2V輸出調節的情況下在任何時間關閉。這種輸出的精確度依賴于選定電壓基準的線壓調節。由于在應用中內核電壓精度很重要，因此選擇正確的電壓基準是關鍵。

　　現在，設計人員可以利用多種資源設計出適用于他們的應用的最佳電源。例如，TI公司的“電源專家”（Power Expert）軟件工具通過選擇FPGA、電源和工作條件，最后給出符合設計人員重要要求的電源IC解決方案建議，說明其是否可以達到最大效率以及設計是否簡易。另外，它還連接到TI的WEBENCH設計環境，圍繞選定穩壓器IC和電路模擬選擇組件。