搭配最佳供电序列方案 FPGA系统电源管理效率大增

设计现场可编程闸极数组(FPGA)时，供电序列为重要考虑因素。由于设计需求可能介于三轨至十轨以上，FPGA厂商通常会明定电源序列要求。若遵循建议的电源序列，即可避免启动时产生过量电源，进而避免装置受损。系统内共有数种方式可达成供电序列，本文将说明依据系统需求复杂程度高低，能够采用的各种序列解决方案。
序列解决方案　提高FPGA能效
本文介绍的序列解决方案包括：
1.将PGOOD接脚串接为启动接脚
2.使用重置芯片排
3.模拟电源恢复/切断序列器
4.具备电源管理总线(PMBus)接口的数字系统健康监控器

方法一：将PGOOD接脚串接为启动接脚
若要以基本且符合成本效益的方式排序，可串接某一电源的PG接脚，做为下一次序列供电的启动接脚(图1)，达到PG门坎(通常指电源达到九成终值)后，第二电源就会启动。这项方式成本较低，但无法轻易操控时间，若在EN接脚增加电容，即可在各级之间加上时间差，不过在温度变化与电源重复循环时，这项方式并不可靠。此外，本方式并不支持电源切断序列。

图1　将PGOOD接脚串接为启动接脚

方法二：使用重置芯片排序
对于电源恢复排序而言，另一项简易方式为重置芯片与时间差。重置芯片监控门坎限制紧密的电源轨，一旦电源轨距离终值只剩3%以下，重置芯片将进入由解决方案设定的等候期，再启动下一轨。只要使用EEPROM或外部电容，即可将等候期纳入重置芯片编程，一般多信道重置芯片(图2)，在电源恢复排序时使用重置芯片，能够监控解决方案。

图2　以多重输出重置芯片达到电源恢复排序

由于系统将确定每一轨都保持在稳压范围内，才会启动下一轨，故变电器不须具备PGOOD接脚，不过重置芯片序列解决方案并不适用于电源切断排序。

方法三：模拟电源恢复/切断序列器
电源恢复排序通常比电源切断排序简单，若要同时达成两者，可使用简易模拟序列器(图3)，翻转(序列一)或混合(序列二)相对于电源恢复序列的电源切断序列，电源恢复时，在EN升高之前，所有旗标都会保持低点，EN达标后，随着内部频率通过，每一旗标依序进入漏极开路(须提升电阻)。电源切断序列与电源恢复相同，只是顺序相反。

图3　模拟电源恢复/切断序列器

．串接多个序列器
序列器串接在一起后，可支持许多电源轨，并且在Enable讯号之间提供固定或可调整的延迟时间，以图4来说，两项序列器串接在一起，以建置六条序列轨，电源恢复时，唯有AND闸极接收到EN讯号及启动C轨后，第二序列器才会启动；电源切断时，AND闸极确保不论C输出情况如何，第二序列器都会见到EN负缘。OR闸极确保第一序列器随EN正缘启动，电源切断时，OR闸极确保在D降下之前，第一序列器都不会见到EN负缘，此举可达成电源恢复与电源切断序列，但未提供监控序列。

 

图4　串接多个模拟序列器

．监控电源恢复/切断排序
只要在图5的FlagX输出与PG接脚之间，加入数个AND闸极，即可在图4的线路中增加监控排序。在本案例中，PS1必须超过终值的90%，PS2才会启动，如此可达到低成本的监控排序解决方案。

 

图5　在简易频率序列器内增加监控排序

方法四：具备PMBus接口的数字系统健康监控器

若系统要求最大弹性，PMBus/I2C兼容的数字系统健康监控器就很适用，以UCD90120A为例，设计人员可自行配置斜升/斜降时间、开关延迟、序列依赖、电流与电压监控等，满足最大序列控制需求。
数字系统健康监控器若结合图像使用接口(GUI)，可搭配其他系统参数，为电源恢复/切断序列编程(图6)，有些数字系统健康监控器亦具备非挥发性错误与峰值记录功能，在电源耗弱情况下协助系统故障分析。

图6　使用UCD 90120A GUI的电源恢复序列范例

赛灵思(Xilinx)等FPGA厂商在产品说明书内，均提供建议或必要电源恢复序列，使用者可自网上取得，各家厂商的序列要求不一，即便是同家厂商，不同FPGA系列产品的要求也各异，产品说明书也会列出斜升及关闭的时间点要求，而建议电源切断序列则通常与电源恢复序列相反。图7为电源恢复序列范例。

图7　FPGA电源逻辑序列范例

多项序列解决方案均可配合FPGA厂商提出的要求，除了电源恢复与电源切断序列之外，系统要求也可能包括电源监控，不过最理想的FPGA电源解决方案仍取决于系统复杂度与规格。