透過設計實例揭秘FPGA電源的N個考慮事項

來源：Vishay公司  作者：Owain Bryant2013年10月11日 18:24

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[導讀] 本文分析了針對FPGA的電源要求，提供了關于如何將其放在PCB上和放在什么位置的指導，并通過一個設計示例讓讀者熟悉設計步驟，設計當中FPGA所在的系統由12 V總線供電，這是來自市電供電SMPS的主輸出。

關鍵詞：FPGA電源AlteraXilinxPCBFPGA

　　引言

　　FPGA是一種提供許多邏輯單元和其他功能（如收發器、PLL和用于復雜處理任務的MAC單元）的器件。FPGA現在變得非常強大，有效地為它們供電是設計的一個重要方面，這一點常常被低估。

　　本文分析了針對FPGA的電源要求，提供了關于如何將其放在PCB上和放在什么位置的指導，并通過一個設計示例讓讀者熟悉設計步驟，設計當中FPGA所在的系統由12 V總線供電，這是來自市電供電SMPS的主輸出。

　　功耗估算器和電壓要求

　　FPGA設計的一個重要方面是確定所需電壓要求和每個電壓軌的電流要求。各大FPGA廠商都提供了綜合性計算器來幫助確定這些要求，考慮因素包括器件工作頻率、所用門電路數量以及門電路的切換率。例如，Altera提供了PowerPlay Early Power Estimator，Xilinx提供了XPower Analyzer。

　　表1包含Altera和Xilinx器件需要的一些典型電壓軌，分為三個核心電壓：I/O電壓、收發器電壓和輔助電壓。

　　POL和配電系統

　　核心電壓較低的FPGA需要高電流、高精度和最小紋波。為實現這一目標，去耦電容器的位置應當盡量鄰近FPGA，使去耦通路中的ESR和ESL最小。

　　另一種合適做法是將POL穩壓器放在盡量鄰近器件的位置，但不影響FPGA的輸入和輸出路徑。更高的工作頻率和控制、驅動器與MOSFET和集成度有助于實現緊湊的布局。小解決方案占位面積允許將穩壓器放在FPGA的近旁，從而改善穩壓器瞬態響應。圖1提供了來自Vishay microBUCK產品的一種3 A穩壓器示例。

　　圖1： 階躍響應為SiP12107。VIN = 5 V，VOUT = 1.2，Fsw = 2 MHz；20 kHz時條件下負載階躍 = 0 - 3 A；L = 330 nH，CIN = 22 μF，COUT = 22 μF；黃色 = VOUT，藍色 = 電流。

　　從圖中可以看出，在22 μF （0805） 最小輸入和輸出電容時，階躍響應為37 mV Pk-Pk（負載還有一些電容）。

　　穩壓器使用電流模式恒定導通時間 （CM-COT） 拓撲結構，且不需要通過外部紋波抑制來提供穩定性。這可以幫助降低元件數量和提供優異的瞬態響應。

　　選擇合適的穩壓器

　　在選擇穩壓器時，首要選擇標準之一是所要求的輸入工作電壓。其次應當檢查電流要求。在最終備選器件名單確定后，再對一些特性進行檢查，如工作頻率范圍、低電流模式省電量等，這樣設計人員就能確定最適合應用的器件。

　　多家開關穩壓器供應商現在都提供在線仿真工具來輔助電源設計。例如，Vishay穩壓器有PowerCAD在線仿真工具支持。在使用上述方法分析了可選器件之后，在線仿真工具可讓用戶快速完成設計（參見圖2的仿真電路原理圖）。這個步驟完成后，接著可以檢查工作波形，如啟動、階躍響應及穩態工作，以了解電流和電壓幅值。該仿真器的特性還包括高效率、所有元件損耗的細分類目以及BOM生成器。

　　圖2：Vishay PowerCAD軟件仿真電路原理圖

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本文導航

• 第 1 頁：透過設計實例揭秘FPGA電源的N個考慮事項

• 第 2 頁：初始設計過程實例

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