为FPGA选择合适的电源稳压模块

来源：罗姆半导体社区 

当CPU的计算能力接近饱和的时候，FPGA以其优异的计算能力，成了各大厂商选择的CPU“加速器”，那么，FPGA是什么呢？FPGA是一种提供许多逻辑单元和其他功能(如收发器、PLL和用于复杂处理任务的MAC单元)的器件。FPGA现在变得非常强大，有效地为它们供电是设计的一个重要方面，这一点常常被低估。

本文分析了针对FPGA的电源要求，提供了关于如何将其放在PCB上和放在什么位置的指导，并通过一个设计示例让读者熟悉设计步骤，设计当中FPGA所在的系统由12V总线供电，这是来自市电供电SMPS的主输出。

功耗估算器和电压要求

FPGA设计的一个重要方面是确定所需电压要求和每个电压轨的电流要求。各大FPGA厂商都提供了综合性计算器来帮助确定这些要求，考虑因素包括器件工作频率、所用门电路数量以及门电路的切换率。例如，Altera提供了PowerPlay Early Power Estimator，Xilinx提供了XPower Analyzer。

POL和配电系统

核心电压较低的FPGA需要高电流、高精度和最小纹波。为实现这一目标，去耦电容器的位置应当尽量邻近FPGA，使去耦通路中的ESR和ESL最小。

另一种合适做法是将POL稳压器放在尽量邻近器件的位置，但不影响FPGA的输入和输出路径。更高的工作频率和控制、驱动器与MOSFET和集成度有助于实现紧凑的布局。小解决方案占位面积允许将稳压器放在FPGA的近旁，从而改善稳压器瞬态响应。

在选择稳压器时，首要选择标准之一是所要求的输入工作电压。其次应当检查电流要求。在最终备选器件名单确定后，再对一些特性进行检查，如工作频率范围、低电流模式省电量等，这样设计人员就能确定最适合应用的器件。

BD95601MUV与BD95602MUV是支持近年来的低电压大电流电源规格的开关稳压器控制器IC，不仅效率高、具备多种保护功能，作为需要高精度、高稳定性的FPGA与CPU的电源，还具备最佳的性能。

这些电源IC之所以被用于ROHM与安富利联合开发的赛灵思7系列FPGA及Zynq®-7000 All Programmable SoC的评估套件Mini-Module Plus 用电源模块，有几个关键原因。

近年来的高端FPGA电源规格复杂，要求高初始精度、低纹波、高速负载瞬态响应以及启动时序控制。右图为上述电源模块的输出配置，生成各输出的开关稳压器控制器IC与电压/电流。

所要求的电压精度因电源的种类而稍有差异，例如假设1V输出为±3%精度，5V/3.3V等系统电压通常为±5%精度，因此仅按比率考虑的话，±3%多少有点严格，实际的容许电压当然更小。

3.3V±3% 为 3.3V±99mV　相应的　1.0V±3% 为 1.0V±30mV

这是包含纹波电压的精度要求，对开关稳压器来说是非常严苛的条件。即使平均输出电压精确到1V，纹波电压需要在±30mV以内。实际上会产生因负载调整与负载瞬态带来的输出电压变动时，需要为确保基本精度，并尽力抑制纹波电压。

BD95601MUV与BD95602MUV正是诸多特性均满足这些FPGA的电源要求的产品。

・可高速瞬态响应的H3Reg™ 同步整流降压型开关稳压器控制器

・1ch： BD95601MUV、 2ch： BD95602MUV

・最大效率95%以上

・可选择轻负载模式、连续PWM模式。静音轻负载模式（BD95602）

・通过可调整的软启动功能，降低启动时的突入电流

・电源正常（Power Good）输出

・多种保护功能：自动恢复型过电流保护（OCP）、短路保护、过热保护（TSD）、防止低电压误动作（UVLO）

 

	BD95601MUV（1ch）	BD95602MUV（2ch）
输入电压范围	4.5V～25V	5.5V～28V
输出电压范围	0.75V～2.0V	1.0V～5.5V
基准电压	0.75V±1.0%	0.7V±1.0%
开关频率	200k～500kHz	150k～500kHz
封装	VQFN20V4040	VQFN32V5050

 

基本上，这两个产品都既要保持同步整流型降压控制器的高效，也要保持轻负载模式下，轻负载时的高效。基准电压支持0.75V/0.7V的低电压，±1% 的精度比上述±3%的精度要求要好，基本是低纹波。此外，通过ROHM独有的H3Reg 控制模式，负载瞬态响应可以非常高速。这些特征能使输出电压保持高精度和高稳定。

审核编辑 黄宇