面向FPGA的电源管理

关于为FPGA应用设计一个好的电源管理解决方案，已经有很多技术讨论，因为它不是一件容易的事。这项任务的一个方面涉及找到正确的解决方案并选择最合适的电源管理产品，而另一个方面是如何优化实际解决方案以用于FPGA。

寻找合适的电源解决方案

找到为 FPGA 供电的最佳解决方案并非易事。许多供应商将某些产品推销为适合为 FPGA 供电。是什么让DC-DC转换器的选择专门用于为FPGA供电？不多。通常，所有电源转换器都可用于为 FPGA 供电。对某些产品的建议通常基于以下事实：许多FPGA应用需要多个电压轨，例如FPGA内核、I/O，以及可能用于DDR存储器端接的附加电压轨。通常首选PMIC（电源管理集成电路），其中多个DC-DC转换器全部集成到单个稳压器芯片中。

找到为特定FPGA供电的良好解决方案的一种流行方法是使用预先存在的电源管理参考设计，许多FPGA供应商都提供这种设计。这是优化设计的良好起点。然而，通常需要对此类设计进行修改，因为具有FPGA的系统通常需要额外的电压轨和负载，而这些电压轨和负载也需要供电。通常还需要对参考设计进行补充。另一件需要考虑的事情是FPGA的输入功率不是固定的。输入电压在很大程度上取决于实际逻辑电平和FPGA实现的设计。完成对电源管理参考设计的修改后，它看起来将与参考设计的原始建议不同。有人可能会说，最好的解决方案是甚至不费心于电源管理参考设计，而是将所需的电压轨和电流直接输入电源管理选择和优化工具，例如ADI公司的LTpowerCAD。

LTpowerCAD可用于为各个电压轨提供电源解决方案。它还提供了一系列参考设计，为设计人员提供了一个良好的起点。LTpowerCAD可从ADI公司网站免费下载。

一旦选择了电源架构和单独的电压转换器，我们就需要选择合适的无源元件并设计电源。在执行此操作时，我们需要牢记FPGA的特殊负载要求。

这些是：

个性化电流要求

电压轨排序

电压轨的单调上升

快速功率瞬变

电压精度

个性化电流要求

任何FPGA的实际电流消耗在很大程度上取决于用例。不同的时钟和不同的FPGA内容需要不同的功率。因此，典型FPGA设计的最终电源规格在FPGA系统设计过程中必然会发生变化。FPGA 制造商提供功耗估算工具，帮助计算解决方案所需的功率电平类型。在构建实际硬件之前，此信息非常有用。尽管如此，FPGA的设计仍然是最终的，或者至少接近最终的，才能使用这种功耗估算器获得有意义的结果。

通常，工程师在设计电源时会考虑最大FPGA电流。然后，如果事实证明实际的FPGA设计需要较少的功率，则缩小电源。

电压轨排序

许多FPGA需要不同的电源电压轨才能按特定顺序出现。通常，在I/O电压出现之前需要提供内核电压。否则，某些FPGA将被损坏。为避免这种情况，需要按正确的顺序对电源进行排序。通过在标准DC-DC转换器上使用使能引脚，可以轻松完成简单的上排序。然而，通常还需要受控的下序。当仅执行使能引脚排序时，很难获得良好的结果。更好的解决方案是使用具有高级集成时序功能的PMIC，例如ADP5014。支持可调上序和反向顺序下序运算的特殊电路模块在图2中以红色表示。

图2.ADP5014 PMIC集成支持灵活的上序和下序。

图3显示了使用该器件完成的排序。上序和下序时序的时间延迟可通过ADP5014上的延迟（DL）引脚轻松调整。

如果使用单独的电源，则额外的排序芯片可以处理所需的开/关排序。LTC2924 就是一个例子，它可以控制 DC-DC 转换器的使能引脚以接通和关断电源，或者能够驱动高侧 N 沟道 MOSFET 以将 FPGA 连接和分离到某个电压轨。

图3.多个FPGA电源电压的启动和关断时序。

电压轨的单调上升

除了电压排序之外，启动期间电压的单调上升也可能是必要的。这意味着电压只会线性上升，如图4中的电压A所示。此图中的电压B显示了电压不单调上升的示例。当负载在启动期间开始在某个电压电平下拉动大电流时，就会发生这种情况。防止这种情况的一种方法是允许电源的软启动时间更长，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 不单调上升。

快速功率瞬变

FPGA的另一个特点是FPGA很快开始吸收高电流。它们会在电源上引起高负载瞬变。因此，许多FPGA需要大量的输入电压去耦。陶瓷电容器在V之间使用得非常紧密核心以及器件的 GND 引脚。高达 1 mF 的值很常见。如此高的电容有助于减少对电源的需求，以提供非常高的峰值电流。但是，许多开关稳压器和LDO都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。

电源不喜欢巨大的输出电容器，因为在启动期间，该电容器组看起来像是开关稳压器输出短路。这个问题有一个解决方案。较长的软启动时间允许大型电容器组上的电压可靠地上升，而无需电源进入短路电流限制模式。

图5.许多 FPGA 的输入电容要求。

一些功率转换器不喜欢过大的输出电容的另一个原因是，该电容值成为调节环路的一部分。具有集成环路补偿的转换器不允许过大的输出电容，以防止稳压器的环路不稳定。通常，可以通过在高端反馈电阻两端使用前馈电容来影响控制环路，如图6所示。

图6.前馈电容，允许在没有环路补偿引脚可用时进行控制环路调整。

对于电源的负载瞬态和启动行为，包括LTpowerCAD在内的开发工具链，尤其是LTspice非常有用。一种非常适合建模和仿真的效果是FPGA的大输入电容与电源输出电容的去耦。图 6 显示了此概念。虽然POL（负载点）电源往往靠近负载，但电源和FPGA输入电容之间通常有一些PCB走线。当电路板上有多个相邻的FPGA输入电容时，距离电源最远的电容对电源的传递函数的影响较小，因为它们之间存在一些电阻，但也存在寄生走线电感。这些寄生板电感允许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。在LTspice中，可以将寄生走线电感添加到原理图中，并且可以对此类效应进行建模。当电路建模中包含足够的寄生元件时，仿真结果接近现实。

图7.电源输出电容和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需要相当高。只有3%的变异公差带是很常见的。例如，在3%电压精度窗口内将Stratix V内核电源轨保持在0.85 V，只需要25.5 mV的完整容差范围。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，包括LTpowerCAD和LTspice在内的可用电源工具链在满足如此严格要求的电源设计过程中至关重要。

最后一条建议是关于FPGA输入电容的选择。为了快速提供大电流，通常选择陶瓷电容器。它们适用于此目的，但需要选择它们，以便其真实电容值不会随直流偏置电压而下降。一些陶瓷电容器，特别是Y5U型电容器，当直流电压接近其最大额定直流电压时，其真实电容值将变为标称面值的20%。