赛灵思FPGA电源解决方案全解析

在当今的电子设计领域，现场可编程门阵列（FPGA）凭借其出色的设计灵活性和较低的工程成本，在众多应用和终端市场中占据了重要地位。然而，FPGA的电源设计和管理却是一个复杂且关键的环节。本文将深入探讨赛灵思（Xilinx）FPGA的电源解决方案，为电子工程师们提供全面的参考。

文件下载：MAX17017DEVKIT+.pdf

FPGA概述

FPGA是一种可编程设备，由通过可编程互连连接的可配置逻辑块（CLB）阵列组成。CLB通常包含查找表、触发器、多路复用器等各种数字逻辑组件。此外，FPGA还包括输入/输出引脚驱动电路（I/O）、存储器和数字时钟管理（DCM）电路等。现代FPGA集成了FIFO、纠错码（ECC）逻辑、DSP块、PCI Express®控制器、以太网MAC块和高速千兆收发器等功能。

FPGA应用的系统级电源架构

通信应用

大多数高性能/高功率FPGA通信应用采用插卡形式，由48V背板供电。通常使用两级中间总线架构（IBA），第一级是降压转换器，将48V转换为中间电压（如12V或5V），插卡之间通常相互隔离，以确保安全并消除电流环路和干扰。第二级是将中间电压转换为多个较低的直流电压，使用非隔离式调节器，即“负载点”（POL）调节器。

其他应用

计算、工业和汽车应用中的FPGA通常从12V至24V非隔离电源获取电力。

POL调节器

POL是高性能调节器，其输出电压轨靠近各自的负载，有助于解决高性能半导体器件（如FPGA）的高瞬态电流需求和低噪声要求。设计POL时需要考虑成本、尺寸和效率等参数，不同的终端市场对这些参数的优先级不同。例如，工业和医疗市场倾向于优先考虑尺寸，而无线应用通常更注重成本，消费应用则对三者都很关注。对于电池供电的应用，效率尤为重要，这通常决定了使用低压降线性调节器（LDO）还是开关模式电源（SMPS）。

LDO

LDO相对易于实现，成本低，产生的噪声非常小。但其主要缺点是效率低，效率取决于输出电压与输入电压的比值。例如，输入电压为3.3V、输出电压为1.2V的LDO效率仅为36%，功率差以热量形式耗散。

SMPS

SMPS的效率通常超过90%，但实现起来比LDO更困难，并且与LDO相比，会传导和辐射更多的噪声。LDO通常用于功率要求相对较低的应用，而SMPS由于其更高的效率，适用于更高功率的应用，这对于热管理和可靠性至关重要。更高的效率意味着更低的器件温度，从而提高可靠性并通过减小散热器要求来减小整体解决方案的尺寸。

典型FPGA电源要求

以赛灵思Virtex® - 7 FPGA为例，其主要电压供应要求包括VCCINT（内部核心逻辑电压）、VCCAUX（辅助逻辑电压）、VCCO（I/O银行电压）、MGTAVCC（GTX收发器电压）和MGTAVTT（GTX收发器终端电路电压）等。在许多应用中，可以使用单个电源和无源滤波器为两个或更多使用相同电压的电源轨供电，此时电源可能需要提供20A或更多电流。

赛灵思等FPGA制造商提供功率估算电子表格，帮助设计师根据FPGA的所需功能估算电源要求。设计师应在项目早期使用这些电子表格，以选择合适的电源和热管理组件。

电源考虑因素

启动顺序/跟踪

为FPGA供电通常需要三个或更多电压轨，在这些轨之间实现上电和下电的顺序控制是良好的设计实践。这可以限制上电时的浪涌电流，即使FPGA本身不需要顺序控制，设计中的其他设备（如微控制器和闪存PROM）可能有顺序要求。忽略顺序控制可能会导致需要顺序控制的设备损坏或锁存，从而导致故障。

顺序控制有三种类型：同时跟踪（也称为“同步跟踪”）、顺序跟踪和比例跟踪。同时跟踪是FPGA首选的顺序控制方法，各轨同时以相同速率上升到最终设定点，可防止因锁存和总线争用导致的不可靠启动，避免开启可能损坏FPGA的寄生传导路径。大多数Maxim的POL具有可调节的软启动功能，可缓解浪涌电流问题。顺序跟踪易于实现，启动浪涌电流要求低于同时跟踪和比例跟踪，但轨之间的最大电压差可能导致设备行为不可靠。比例跟踪使所有电压轨同时达到设定点，与顺序跟踪相比，可减小轨之间的电压差，启动浪涌电流介于同时跟踪和顺序跟踪之间。

单调启动电压斜坡

启动时，电压轨单调上升至设定点非常重要，即应连续上升而不下降。如果POL的输出电容不足，可能会导致电压下降。大多数FPGA核心电压的关键区域在0.5V至0.9V之间，此时内部逻辑块初始化为有效工作状态。

软启动

大多数赛灵思FPGA规定的最小和最大启动斜坡速率分别为0.2ms和50ms，但也有例外。电源调节器通过在启动时逐渐增加电流限制来实现软启动，从而减缓电压轨的上升速率，降低FPGA的峰值浪涌电流。Maxim的POL允许根据连接到POL引脚的软启动电容的值来编程软启动时间。

预偏置启动

在某些情况下，当电源关闭时，FPGA电压轨可能保持在某个电压水平，这通常是由于FPGA中的各种寄生传导路径导致的。如果电源重新启动并将预偏置输出电压拉低，可能会导致FPGA启动失败。电源的输出电压应与其他FPGA电压轨按所需顺序一起上升到设定点。

PCB布局

在进行PCB设计时，工程师必须考虑组件放置、信号路由和电路板层数。对于FPGA设计，强烈建议使用多层板，在每个信号路由层之间设置接地层。接地层提供的屏蔽功能允许在每一层进行信号路由，而无需考虑相邻路由层。

电源电压和接地平面在PCB层序（堆叠）中的放置对电源电流路径的寄生电感有显著影响。高优先级电压供应层应靠近组件层（在PCB堆叠的上半部分），例如，具有高瞬态电流的电源应将其相关的电压和接地平面靠近组件层，以减小高瞬态电流必须流过的过孔长度（寄生电感）。低优先级电源应放置在离组件层较远的位置（在PCB堆叠的下半部分）。

去耦电容应尽可能靠近FPGA电源引脚连接，以减少电源传导噪声和周围电路的辐射噪声。对于SMPS布局，应使用短而宽的走线来最小化电源开关电流路径中的寄生电感，将调节器的去耦电容尽可能靠近调节器的IC引脚放置，分离电源和模拟接地平面，保持调节器的栅极驱动引脚到MOSFET栅极引脚的走线短而宽，以降低栅极驱动电流所看到的阻抗，连接到内部接地平面的高电流电源组件应使用多个接地过孔来降低环路阻抗。

电源瞬态响应

FPGA由于其多个时钟域可以在不同频率下实现许多功能，这可能导致电流需求的较大阶跃变化。“瞬态响应”指的是电源对负载电流突然变化的响应能力。调节器应在不显著过冲或下冲其设定点的情况下响应，并且输出电压不应出现持续振荡。调节器的瞬态响应取决于控制回路检测输出电压（或电流，对于电流模式控制器）变化时的响应速度，以及输出电容的值和质量。

控制回路的单位增益交叉频率通常设计为调节器开关频率的1/10，因此可以通过以高开关频率（约1MHz）运行来使调节器快速响应。输出电容应具有非常低的有效串联电阻（ESR），并且足够大，以最小化输出电压瞬态过冲和下冲的幅度。聚合物电容提供最大的电容和最低的ESR，陶瓷电容具有出色的高频特性，但每个器件的总电容是聚合物电容的二分之一至四分之一。通常，聚合物或钽电容用于大容量输出电容，而相对低价值的陶瓷电容放置在FPGA输入电源引脚处进行最终阶段滤波。

同步到外部时钟

FPGA应用通常要求电源调节器同步到一个公共时钟。许多POL提供外部SYNC引脚，允许系统设计师将一个或多个调节器同步到一个公共系统时钟。

多相操作

多相调节器本质上是多个调节器并联运行，其开关频率同步并相移360/n度，其中n表示每个相。当负载电流超过20A至30A时，多相调节器的优势变得明显，包括减少输入纹波电流，从而显著降低所需的输入电容；由于纹波频率的有效倍增，减少输出纹波电压；通过将损耗分布在更多组件上，降低组件温度。

远程传感

电源输出和FPGA电源引脚之间可能存在显著的电压降，特别是在负载电流高且无法将调节器电路放置得非常靠近FPGA电源引脚的应用中。远程传感通过使用专用的一对走线来准确测量FPGA电源引脚处的电压，解决了这个问题。对于具有非常严格公差（≤3%）的电压轨，也建议使用远程传感。

Maxim的赛灵思FPGA电源解决方案

Maxim提供LDO和SMPS调节器。SMPS调节器通常用于为FPGA的高功率电压轨供电，因为它们能提供更好的系统效率和热管理。Maxim的SMPS调节器提供完整的电源管理解决方案，满足对性能、功率密度、质量以及精确监测和控制的数字电源管理的要求。

同步PWM控制器

同步PWM控制器用MOSFET代替外部肖特基二极管，实现同步整流，提高效率。由于开关MOSFET在控制器IC外部，同步PWM控制器可以处理高电流水平，设计师可以根据特定的电流要求选择最合适的分立MOSFET。Maxim提供多种用于FPGA的同步PWM控制器，如MAX15026（单控制器）、MAX15023（双控制器）和MAX15048/MAX15049（三控制器），它们的输入电压最高可达28V，适用于5V和12V输入的FPGA应用。Maxim还提供更高电压（最高40V）的控制器，如MAX15046，用于工业和汽车应用。大多数Maxim的双（或更高）控制器还具有内置的顺序和跟踪功能，允许设计师使用多轨IC而无需外部顺序器。

PWM调节器

Maxim的PWM调节器可提供1A至200A的输出电流，输入电压范围为2.5V至28V。所有调节器都将开关MOSFET与PWM控制器集成在一起，例如MAX15053、MAX15041和MAX8686。MAX15021和MAX17017是支持双轨和四轨电源的多轨调节器。许多这些IC具有流行的固定输出电压选项，并具有完全内部补偿。

一些部件支持数字编程、可选数字控制和监测功能，允许对所有定时事件（如顺序和跟踪）进行微秒级分辨率的编程。这些极其灵活的监测功能允许智能设置警告和故障阈值，还可以独立设置每个调节器的故障处理场景。以0.2%的精度精细控制输出电压将确保满足高端FPGA的严格公差要求。数字可编程性和监测功能使通过远程连接进行现场更新成为可能，有助于避免昂贵的现场维修。此外，还可以记录事件，以便研究故障并确定根本原因。

POL数字系统控制和监测

通信和计算应用中的机架式基础设施设备需要复杂的电源管理来开启/关闭电源和风扇。一些为这些市场制造设备的客户使用电源管理总线（PMBus™）协议。PMBus是一种开放标准的电源管理协议，具有完全定义的命令语言，便于与电源转换器和电源系统中的其他设备进行通信。

Maxim提供多种PMBus监测器和系统控制器。例如，MAX34440/MAX34441/MAX34446是复杂的系统PMBus监测器，它们监测电源输出电压，并不断检查用户可编程的过压和欠压阈值。MAX34440可以管理多达六个电源，MAX34441可以监测多达五个电源，并包含一个闭环风扇速度控制器。MAX34440和MAX34441都可以将电源输出电压向上或向下调整到用户可编程的水平，调整是在闭环配置中进行的，设备会自动调整脉宽调制（PWM）输出，然后测量结果输出电压。电源管理器还可以在上电和下电时按任何顺序对电源进行排序。通过添加外部电流感测放大器（CSA），这些设备可以监测电流。

MAX34446电源数据记录器监测电压的过压和欠压，以及过流和过温条件。设备不断检查用户可编程的阈值，当这些阈值被超过时，设备将最近的实时操作条件记录在非易失性闪存中。该设备可以监测多达四个电压或电流，并可以监测三个温度传感器。

MAX8688是一个完全集成的数字电源控制器和监测器，可与任何现有的POL配合使用，提供完整的数字可编程性。通过连接到参考输入、反馈节点和输出使能，MAX8688控制POL，提供跟踪、顺序、调整和动态调整输出电压等功能。

数字电源控制IC

传统上，电源公司主要关注LDO和SMPS调节器。然而，在使用系统级电源管理的复杂基础设施设备中，更先进的数字控制回路有望实现独立于输出电压的自动补偿，从而简化设计并实现动态电源管理。与使用模拟控制回路的典型电源调节器不同，数字电源控制IC（DPC）使用数字电路来实现电源的控制回路。需要先进系统电源管理的客户可以从总成本优势中受益。与之前审查的模拟电源调节器一样，这些DPC也集成了片上数字电源管理功能，通过PMBus接口与系统控制器通信，通过图形用户界面（GUI）方便电源设计。

数字控制回路IC具有以下优点：

• 缩短上市时间：复杂的DPC可以通过自动补偿控制回路，无论输出电压如何，都能减少设计时间。对于已经从具有模拟控制的内部补偿POL中受益的客户来说，数字控制将易用性提升到了一个新的水平。
• 降低成本：DPC减少了组件的数量和尺寸，输出电容可以减少多达50%，通过使用更少的组件提高了可靠性。
• 提高性能和可靠性：对输出电流瞬变的响应得到最佳控制，从而降低输出电压瞬变。控制算法通过适应电压、电流和温度变化来提高效率。
• 增强灵活性：DPC简化了系统电源管理，系统电源通过PMBus进行控制，并且可以轻松添加或移除额外的电源，以适应未来的系统设计。

InTune™数字电源

Maxim的InTune数字控制电源产品使实现高性能、DC - DC电源设计变得容易，这些设计需要更少的滤波电容并具有更高的效率。InTune数字电源技术基于“状态空间”或“模型预测”控制，而不是竞争对手使用的比例 - 积分 - 微分（PID）控制，因此具有更快的瞬态响应。与竞争的PID控制器不同，InTune架构使用反馈模数转换器（ADC）对整个输出电压范围进行数字化，从而消除了竞争控制器中使用的“窗口化”ADC带来的折衷。其自动补偿例程基于测量参数，在广泛的操作条件下提供更好的准确性和效率。

Maxim的参考设计

Maxim为赛灵思FPGA和CPLD构建了多个参考设计，涵盖了从高端Virtex系列FPGA到低功耗CoolRunner - II CPLD的各种应用。

GTX和GTP电源模块

Maxim有10Gbps GTX和3.125Gbps GTP电源模块，为赛灵思ML623和SP623收发器表征套件供电。这些电源模块基于MAX8686，从12V输入（±10%）供电，为Virtex - 6 GTX和Spartan - 6 GTP收发器的MGTAVTT和MGTAVCC轨供电。由于GTP和GTX收发器以高线速率运行，劣质的开关电源可能会对数据眼图产生噪声影响。Maxim的电源模块具有非常低的噪声特性，与竞争解决方案相比，具有出色的软启动和输出电压纹波性能。

Virtex - 6 LX130T PCI Express套件

Maxim与安富利（Avnet）和赛灵思合作，为Virtex - 6 FPGA PCI Express®开发板开发了电源设计。使用了MAX17017（具有三个开关降压调节器和一个LDO的多轨电源调节器）和MAX8792（单轨POL）为Virtex - 6 LX130T FPGA供电。

为Spartan - 6 FPGAs供电

Maxim的PMIC调节器为Spartan - 6 LX150T和Spartan - 6 LX16 FPGA的所有电源轨供电，提供了相应的电源设计框图。

CoolRunner - II CPLD电源

CoolRunner - II CPLD常用于工业和汽车应用，这些应用通常从24V标称轨供电，需要低静态电流和轻载效率。Maxim的电源调节器为CoolRunner - II CPLD板供电，该板还配备了Maxim的1 - Wire安全EEPROM，用于IP安全。

总结

设计FPGA电源的第一步是确定系统级要求，如电源轨电压和电流。FPGA功率估算器有助于计算这些电压和电流。在此基础上，设计师应考虑高级系统级功能，如PMBus控制、顺序控制和软启动。Maxim提供了多种电源解决方案，从简单的电源调节器到具有参考设计的高级系统级电源管理IC，以满足FPGA应用设计师的需求。

你在设计FPGA电源时，遇到过哪些挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。