基于FPGA应用设计优秀电源管理解决方案

为FPGA应用设计优秀电源管理解决方案不是一项简单的任务，相关技术讨论有很多。本文一方面旨在找到正确解决方案并选择最合适的电源管理产品，另一方面则是如何优化实际解决方案以用于FPGA。

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找到合适的电源解决方案

寻找为FPGA供电的最佳解决方案并不简单。许多供应商以适合为FPGA供电的名义推销某些产品。为FPGA供电的DC-DC转换器选择有何特定要求？其实并不多。一般而言，所有电源转换器都可用来为FPGA供电。推荐某些产品通常是基于以下事实：许多FPGA应用需要多个电压轨，例如用于FPGA内核和I/O，还可能需要额外的电压轨来用于DDR存储器。将多个DC-DC转换器全部集成到单个稳压器芯片中的PMIC（电源管理集成电路）常常是首选。

一种为特定FPGA寻找优秀供电解决方案的流行方法是使用许多FPGA供应商都提供的已有电源管理参考设计。这对于优化设计来说是一个很好的入门方式。但此类设计往往需要修改，因为FPGA系统通常需要额外的电压轨和负载，这些也需要供电。在参考设计上增加一些东西常常也是必要的。还有一件事需要考虑，那就是FPGA的输入电源不是固定的。输入电压在很大程度上取决于实际的逻辑电平以及FPGA所实现的设计。完成对电源管理参考设计的修改之后，它看起来将与最初的参考设计不同。可能有人会辩称，最好的解决方案是根本不用电源管理参考设计，而是直接将所需的电压轨和电流输入到电源管理选型与优化工具中，例如ADI公司的 LTpowerCAD等。

图1. 通过LTpowerCAD工具选择合适的DC-DC转换器来为FPGA供电。

LTpowerCAD可用来为各个电压轨提供电源解决方案。它还提供一系列参考设计，以让设计人员快速入门。LTpowerCAD可以从ADI公司网站免费下载。

一旦选择了电源架构和各个电压转换器，就需要选择合适的无源元件来设计电源。做这件事时，需要牢记FPGA的特殊负载要求。

它们分别是：

• 各项电流需求

• 电压轨时序控制

• 电压轨单调上升

• 快速电源瞬变

• 电压精度

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各项电流需求

FPGA的实际电流消耗在很大程度上取决于使用情况。不同的时钟和不同的FPGA内容需要不同的功率。因此，在FPGA系统的设计过程中，典型FPGA设计的最终电源规格必然会发生变化。FPGA制造商提供的功率估算工具有助于计算解决方案所需的功率等级。在构建实际硬件之前，获得这些信息会非常有用。但是，为了利用此类功率估算工具获得有意义的结果，FPGA的设计必须最终确定，或者至少接近最终完成。

通常情况下，工程师设计电源时考虑的是最大FPGA电流。如果最终发现实际FPGA设计需要的功率更少，设计人员就会缩减电源。

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电压轨时序控制

许多FPGA要求不同电源电压轨以特定顺序上电。内核电压的供应往往需要早于I/O电压的供应，否则一些FPGA会被损坏。为了避免这种情况，电源需要按正确的顺序上电。使用标准DC-DC转换器上的使能引脚，可以轻松实现简单的上电时序控制。然而，器件关断通常也需要时序控制。仅执行使能引脚时序控制，很难取得良好的结果。更好的解决办法是使用具有高级集成时序控制功能的PMIC，例如 ADP5014。图2中用红色表示的特殊电路模块支持调整上电和关断时序。

图2. ADP5014 PMIC集成了对灵活控制上电/关断时序的支持。

图3显示了利用此器件实现的时序控制。通过ADP5014上的延迟(DL)引脚可以轻松调整上电和关断时序的时间延迟。

如果使用多个单独的电源，增加时序控制芯片便可实现所需的上电/关断顺序。一个例子是LTC2924，它既能控制DC-DC转换器的使能引脚来打开和关闭电源，也能驱动高端N沟道MOSFET来将FPGA与某个电压轨连接和断开。

图3. 多个FPGA电源电压的启动和关断顺序。

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电压轨单调上升

除了电压时序之外，启动过程中还可能要求电压单调上升。这意味着电压仅线性上升，如图4中的电压A所示。此图中的电压B是电压非单调上升的例子。在启动过程中，当电压上升到一定电平时负载开始拉大电流，就会发生这种情况。防止这种情况的一种办法是延长电源的软启动时间，并选择能够快速提供大量电流的电源转换器。