为您的FPGA应用程序供电

现场可编程门阵列（FPGA）在终端市场受到广泛关注和广泛应用。本文档概述了对 FPGA 电源的要求和相关问题。还将讨论瑞萨最新的数字电源模块，可作为FPGA应用的电源解决方案，并以ISL8274M为例进行详细介绍。

介绍

FPGA 因其许多优点而被广泛应用于各种产品中，包括开发时间短、开发过程中以及现场重新配置或更新时的灵活性。FPGA 也是经济高效的解决方案。

许多新型 FPGA 通常采用先进技术设计，以实现低功耗同时提供高性能。这些 FPGA 使用新的制造工艺，往往需要较低的内核电压，从而扩展了其电源所需的电压范围，具有更高的供电电流能力。许多 FPGA 还具有不同的电源要求。即使对于相同的 FPGA，每个电源轨也可能有不同的输出要求，这取决于每个电源轨的电压和功率需求、电源轨的排序要求和噪声灵敏度等因素。功率器件能够在更宽的范围内提供多个电压电平，并为高功率模块提供更高的电流支持能力，非常适合那些具有不同功率要求的应用。

电源模块包括控制器、FET、电感器和大部分无源器件，封装在单个封装中，只留下输入和输出大容量电容器以完成系统设计。数字电源模块结合了电源模块和数字电源的优点。通过使用数字电源模块，设计人员可以缩短开发时间并快速更新模拟解决方案无法提供的电源监控和排序控制功能。受益于提高的电压调节精度和先进的数字控制技术，数字电源模块在 FPGA 应用中变得更具竞争力。

本文档将讨论 FPGA 的一般电源要求，并介绍瑞萨的 Intersil ISL8274M，解释其主要特性如何满足对 FPGA 的供电要求。

FPGA 电源要求

FPGA 电源通常用于传输输入电压，该电压通常来自由开关模式电源 (SMPS) 提供的直流总线，典型范围为 5V 至 12V，低至 FPGA 子块和辅助模块所需的电压。电路。图 1 显示了 FPGA 电源系统的一般结构。

图 1：FPGA 电源系统的一般结构。

FPGA 中有各种模块。这些模块可能包括内核、具有不同电压标准的 I/O 端口以及包含内部电路（例如偏置电路、锁相环电路和收发器）的辅助电路。该模块还具有外部 DDR 存储器。下面是对每个部件的电源电压及其特定电源要求的描述。

核心电压

内核电压为可配置逻辑块的内部内核供电，往往需要较低的电源电压，特别是对于低功耗要求的高性能FPGA。逻辑核一般对电流要求最苛刻，最高可达几十安培。

输入输出电压

I/O 电压为 I/O bank 供电。其电压电平取决于应用于 FPGA 的特定 I/O 标准，通常在 1.2V 至 3.3V 的范围内。为了满足部件的工作条件并优化电源性能，FPGA 可能会为每个 I/O 端口采用不同的 I/O 标准，这可能需要支持多个电源轨。对于各种情况，当前负载可能不同。对于 UltraScale FPGA，所需的最大输出电流可能高达数十安培。

辅助电压

辅助电压为 FPGA 中的辅助电路以及系统中的一些相关外部模块（如果需要）提供。可以针对不同制造商的产品使用不同的电压电平来完成。这种电源一般需要比较低的电流。但对于一些对噪声敏感的部件，例如时钟/存储器电路，它们对输出变化的电压要求更为苛刻。

表 1：推荐的一些高性能 FPGA 及其电压条件

表1列出了市场上流行的高性能FPGA产品的具体电压要求。FPGA 制造商通常建议为 FPGA 提供额定电压在 ±5% 或 ±3% 范围内的电压。一些敏感部件，例如 PLL，可能需要更低的电压，大约 2%，如表 1 所示。所采用的 FPGA 的特定电压调节要求应作为电源设计阶段的目标。

即使电压的微小变化也会引起静态和动态功率的合理变化。因此，具有小容差和良好输出电压设定点分辨率的精确电压控制非常重要。  

能量消耗

实际系统的功耗可能会有很大差异。由于 FPGA 固有的灵活性，类似应用中的用户最终可能会根据其设计中使用的性能水平和特定 FPGA 功能的特定组合而获得不同的功耗。

FPGA 制造商提供的功耗估算软件可用于估算 FPGA 中的功耗并了解功耗在哪里。在电源设计方面，它让设计人员在产品开发阶段对FPGA电源所需的功率水平有所了解，并使设计人员能够专注于功率和热优化。通常，内核和 I/O 消耗的静态和动态功耗会导致 FPGA 中的功耗最大。在执行电源设计时，还应考虑最坏瞬态和上电过程中的最大电流。

启动电压斜坡

对于 FPGA 电源而言，重要的是具有可调软启动功能和单调输出电压斜坡，以帮助防止启动和可能的其他功能期间过大的浪涌电流。大多数 FPGA 对电压轨的电压上升时间有要求。较慢的上升时间可能会导致设备配置失败和错误操作。因此，具有可调软启动的电源在 FPGA 电源应用中是首选。ISL8274M 数字电源模块提供先进的软启动功能，使设计人员无需更改任何物理组件即可轻松配置各种软启动时间。

跟踪/上电序列

许多高性能系统对电源电压的开启顺序提出了严格的要求。在为 FPGA 供电时尤其如此。在大多数情况下，I/O 接口的工作电压高于内核，因此，内核电源电压不得超过制造商规定的 I/O 电源电压。在这种情况下，电压跟踪功能有望确保安全上电。图 2 说明了 ISL8274M 提供的两种典型跟踪模式：重合和比率。

图 2：ISL8274M 提供的两种典型电压跟踪模式。

在某些情况下，重要的是让一个电源在另一个电源到达之前达到其工作电压以避免闩锁。这需要不同轨的电源调节器按预定顺序上电。因此，在为 FPGA 等高级处理器供电时，具有可编程启动序列的电源调节器将特别有用。大多数制造商在其产品文档中推荐了特定的上电顺序，可作为电源设计的参考。

预偏置启动

如果在电源的控制 IC 启用之前外部施加的电压存在于电源的输出上，则存在输出预偏置条件。图 3 说明了预偏置启动的两种一般情况，即上电前偏置电压高于或低于参考电压。这些情况也可能发生在 FPGA 应用中。如果 FPGA 要求安全启动，并且电源稳压器在启动时不允许灌电流，则电源稳压器应考虑预偏置启动条件，以提供预偏置保护。

图 3：两种通用预偏置启动条件

多通道/交织

如前所述，需要多个电源来为不同的 FPGA 部件供电。因此，具有可调电压电平的多通道电源调节器将是理想的。这将允许设计人员使用一个设备来支持多个轨道，从而减少系统尺寸和所需的设计/布局工作。

随着所需的电源电压越来越低，电源的预期电流供应能力可能会很高。对于某些高电流条件，多相操作将是首选。相位之间的交错连接有助于将功率和热应力分布到单独的相位中，并减少输入/输出电流纹波。ISL8274M 有两个通道，可以设置不同的电压电平，并配置为两个单独的通道或两相条件，具有可调交错设置，以支持具有高额定电流和分布式热耗散的同一轨。

同步/通讯总线

对于 FPGA 应用，通常需要电源调节器与公共时钟同步。电力调节器之间的通信有望在彼此之间广播故障信息；那么故障保护就可以在系统层面得到很好的管理。许多电源调节器都有一个 SYNC 引脚，以允许与公共时钟同步或将一个部分同步到另一部分。ISL8274M 允许通过数字直流 (DDC) 总线实现故障扩展和相位扩展功能，以增强相同部件之间的通信。

负载点 (POL) 解决方案

为了为 FPGA 硬件系统供电，电源轨有许多负载点稳压器选项，包括 LDO、分立稳压器和电源模块解决方案。

由于 FPGA 电源要求通常是较低的输出电压和较高的输出电流，理想的 POL 解决方案应支持宽范围的输出电压，并具有出色的负载瞬态响应。还应考虑不同负载条件下的效率、成本、尺寸、封装和热性能等性能特征，以便根据 FPGA 应用的明确要求做出正确的选择。由于某些系统在完成初始设计后可能需要更新或更改，因此具有可调节输出配置和兼容性设置以添加更多电源轨的 POL 解决方案将是有利的。系统监控和故障保护功能对于许多系统也很重要，尤其是对于一些复杂和高性能的应用程序。

要实现整个电力系统的最佳性能，需要考虑很多方面；不幸的是，其中一些会与其他人进行设计权衡。这要求设计人员在设计周期内在验证和测试上付出相当大的努力，以实现整体最佳点。理想情况下，您希望最大限度地减少在电源上花费的时间，而是将注意力集中在开发 FPGA 上的应用程序上。此外，分析/设计中可能涉及许多变量，其中可能包括组件的容差或降额、操作环境的变化或设计目标的变化。即使是对一个组件的微小更改也可能导致在 PCB 重新设计上花费额外的时间。因此，如果电源解决方案可以用更少的组件来实现，它将提供更好的可靠性和减少的 BOM，这有利于 FPGA 等高性能系统。所有这些方面都使电源模块成为此应用的理想选择。

瑞萨数字电源模块

作为领先的电源 IC 供应商，瑞萨拥有适用于 FPGA 电源应用的模拟和数字电源模块。数字电源管理提供许多优势，例如实时监控、具有快速瞬态响应的数字控制、减少 BOM 和减少设计工作量。数字电源模块解决方案非常灵活，可以轻松适应更低电压、更高电流和额外电源轨等不断变化的 FPGA 电源需求。新的电压轨可以通过 PMBus® 轻松添加到电源管理系统。Digital-DC 通信总线用于提供设备之间的通信通道，实现设备之间的无故障通信，同时为排序和故障扩散等功能提供好处。如今，

ISL8274M 是通用降压数字电源模块，具有 PMBus 通信和许多其他满足 FPGA 电源要求的特性。它有两个通道，可以作为不同 FPGA 部件的两个独立电源轨运行，也可以轻松并联以支持具有高电流能力要求的相同电源轨。此外，ISL8274M 具有内部数字-DC 串行总线，可实现其他瑞萨 IC 之间的通信，从而可以轻松配置和实现上电序列、故障保护和监控等功能。其一般应用电路如图4所示。

图 4：ISL8274M 的一般应用电路



表 2：瑞萨 ISL8274M 数字电源模块的主要特性

数字 ChargeMode™ 控制方案

ISL8274M 使用瑞萨电子获得专利的 ChargeMode™ 控制方案，该方案能够在以固定开关频率加载瞬态时实现快速响应，并支持全陶瓷输出电容设计。使用多速率采样技术和数字滤波器减少了误差采样时刻和 PWM 生成时刻之间的延迟。这也是一种简单的补偿控制方案，无需额外的无源 RC 元件即可实现模拟模块所需的补偿回路设计。对于任何系统内更改，可以通过 PMBus 命令或 PIN-strap 设置轻松重新配置新的补偿。为方便用户，制造商提供了参考设计。

带可调斜坡时间的软启动

可能需要设置从接收到使能信号到输出电压斜升至其目标值的延迟时间。ISL8274M 通过 PowerNavigator™ 为客户提供了一个简单的过程，以精确且独立地重置延迟和斜坡时间段。如果启动前输出级存在预偏置条件，ISL8274M 还通过在启动输出斜坡之前对输出电压进行采样来提供预偏置保护。图5为软启动过程，启动上升时间为5ms。

图 5：ISL8274M 启动性能

电源排序/电压跟踪

一组用于不同轨道或多相操作的电源模块可以配置为按预定顺序上电。此功能在为高级处理器（例如 FPGA）供电时特别有用，这些处理器需要一个电源在另一个电源到达之前达到其工作电压以避免闩锁。使用 ISL8274M，通过发出 PMBus 命令来分配排序链中的前一个设备以及遵循该序列的设备，从而配置多设备排序。

ISL8274M 集成了电压跟踪方案，允许其输出之一（通道 1 或通道 2）跟踪施加到 VTRKP 和 VTRKN 引脚的电压，在基于特定应用的两种可选模式中无需外部组件.

多种保护功能和监控

ISL8274M支持完整的保护功能列表，包括电源输入UV/OV、驱动电压UV/OV、两级输出电流UC/OC（平均值和峰值）、输出电压UV/OV和温度UT/OT . 每个保护都有故障限制和衰减限制。用户可以通过 PMBus 命令轻松设置相应的故障限值。客户还可以选择不同的故障响应模式选项，包括打嗝模式。此外，用户可以通过 PMBus 命令配置响应功能。ISL8274M 能够使用 PMBus 命令监控各种系统参数。

最完善的保护功能和监控项由瑞萨的Intersil ISL8274M提供。这些功能以更安全、更稳健的方式保护电力系统运行，并在系统设计方面为设计人员提供更高的灵活性。

数字直流通信总线

ISL8274M 结合了数字直流通信 (DDC) 总线，用于在瑞萨电子的数字电源模块和数字控制器之间进行通信。DDC 总线为设备之间的功能提供通信通道，例如排序、交错和故障传播。

瑞萨电子的设计工具

评估板/用户指南

为 ISL8274M 提供评估板和详细的用户测试和评估用户指南。评估板的照片如图 6 所示。更多详细信息可通过以下链接获得。

图 6：ISL8274M 的评估板图像

动力导航™

瑞萨电子提供的 PowerNavigator GUI 软件将有助于加速电源设计的设计、测试、定型和调试。通过PMBus连接开发板，设置各种可调的系统参数和阈值。最终配置被简单地存储到非易失性存储器中。图 7 显示了 PowerNavigator GUI 软件窗口的示例。

图 7：PowerNavigator 窗口的屏幕截图

强力罗盘™

PowerCompass 工具可帮助用户快速识别符合其特定要求的部件、设置多个导轨、执行高级系统分析并生成自定义参考设计文件。该工具仅作为 Web 应用程序提供，用户也可以通过该应用程序离线工作。在线提供详细说明和视频教程，可以帮助用户轻松入门。

图 8：PowerCompass 页面的屏幕截图

iSim 设计和仿真工具

瑞萨电子提供了一种名为 iSim 的基于网络的电源仿真工具，它是一种易于使用的交互式电源管理和运算放大器设计工具。iSim 允许用户快速选择支持组件并设计和仿真他们的电路和系统。在线提供详细说明和视频教程，可以帮助您轻松入门。

图 9：iSim 页面的屏幕截图

审核编辑：刘清