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電子技術(shù)解密:簡化FPGA電源設(shè)計方案

發(fā)布時間:2014-03-30 責(zé)任編輯:xiangpeng

【導(dǎo)讀】FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列,它是一種多電源需求的芯片,在電子技術(shù)設(shè)計中常見電子芯片,那么在對其供電的時候肯定對電源設(shè)計的要求也是嚴(yán)格的,多電源設(shè)計是復(fù)雜的,我們要FPGA高效運行需要簡化電源設(shè)計,節(jié)約成本,下面即是具體的電源設(shè)計方法。 
 

FPGA是一種多電源需求的芯片,主要有3種電源需求:

1.Vccint 核心工作電壓

 一般電壓都很低,目前常用的FPGA都在1.2V左右。為FPGA的內(nèi)部各種邏輯供電,電流從幾百毫安到幾安不等,具體取決于內(nèi)部邏輯的工作時鐘速率以及所占用的邏輯資源。對于這個電源來說,負(fù)載時一個高度容性阻抗,對電源的瞬態(tài)響應(yīng)要求很高,而且由于驅(qū)動電壓低工作電流大,對PCB的布線電阻非常敏感,需要特別注意走線寬度,盡可能減少布線電阻帶來的損耗。
 
2.Vcco I/O驅(qū)動電源

FPGA經(jīng)常要與多種不同電平接口的芯片通信,所以通常都會支持非常多的電平標(biāo)準(zhǔn)。Vcco就是為FPGA的I/O驅(qū)動邏輯供電。不同的電平標(biāo)準(zhǔn)需要不同的I/O電壓來對應(yīng),具體可以參見FPGA的相關(guān)芯片手冊,比如Xilinx Spartan6系列,就應(yīng)該查詢Xilinx官方文檔,編號ds162.pdf,在page7 table7 Recommended Operating Conditions for User I/Os Using Single-Ended Standards有詳細說明。另外FPGA為了同時能和多種不同的電平標(biāo)準(zhǔn)接口芯片通信,Vcco通常以BANK為界,互相之間相互獨立,也就是說在一顆FPGA芯片上同時存在幾種不同的I/O電壓。當(dāng)然同一個BANK只能存在1種I/O電壓。
 
3.Vccaux 輔助電源

FPGA并不是一個單純的數(shù)字邏輯芯片,內(nèi)部也帶有一些模擬組件,比如Xilinx的DCM數(shù)字時鐘管理組件,這些模擬類的組件對電源的電源抑制比(PSRR)也就是電源噪聲,或者說電源紋波非常敏感,所以通常會用一個獨立的供電電源。這個電源的電流需求一般都不大,但對電源的噪聲容忍度很低。所以應(yīng)該盡可能的提高其電源純凈度。比如不直接用開關(guān)電源供電,先使用LDO穩(wěn)壓后再供給Vccaux。另外Vccaux還給部分的I/O供電,比如功能選擇引腳,JTAG等,具體還得參考芯片手冊的電源相關(guān)說明。

既然有這么多電源需求,那么電源設(shè)計的時候就不得不考慮電源設(shè)計方面的一些問題了。

為 FPGA 供電時需要考慮若干電源設(shè)計方面的問題:

1.增加了輸出電壓軌數(shù)量

2.需要為電軌設(shè)置設(shè)定點精度

3.需要優(yōu)化設(shè)計中的無源板面布局才能實現(xiàn)極低的紋波噪聲

4.需要 AC 瞬態(tài)響應(yīng),以及補償環(huán)路

另外,不要忘了還有排序以及更多所需功能

圖1顯示了 FPGA 開發(fā)套件中典型的 FPGA 電源解決方案。設(shè)計該方案除了要選擇正確的器件和電感器外,還需要具備一些其它的專業(yè)知識。例如,需要考慮部件放置和板面布局方面的細節(jié)。

基于FPGEA電源簡化方案

圖 1. 典型的 FPGA 電源解決方案

那么,如何才能簡化電源設(shè)計呢?

幸運的是,有多種解決方案都有助于實現(xiàn)簡化。重點介紹兩種能夠幫助您快速便捷地實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的創(chuàng)新技術(shù)。

簡化電源設(shè)計方法一:

需要著重介紹的技術(shù)是用于創(chuàng)建 FPGA 電源解決方案的 WEBENCH FPGA Architect 設(shè)計工具(原理設(shè)計加仿真結(jié)果)

WEBENCH FPGA Architect 設(shè)計工具可幫助您:

選擇您想要的 FPGA 廠商,選擇您將使用的 FPGA 產(chǎn)品系列,滿足由 FPGA 廠商提供的 FPGA 電源估計器工具定義的電源需求。
執(zhí)行這幾個簡單步驟就可成就 FPGA 電源解決方案,并在產(chǎn)品尺寸、效率和成本方面全方位實現(xiàn)優(yōu)化。這種易用型工具能幫助您克服初始障礙,將設(shè)計時間從幾天縮短至幾分鐘,從而贏得領(lǐng)先優(yōu)勢。

簡化電源設(shè)計方法二:是集成型電感器電源模塊,它可以切實簡化設(shè)計方案

電源模塊主要在單個 IC 封裝中集成電感器,但也可集成其它外部組件,如 FET、補償環(huán)路(若需要)以及反饋電阻器等。電源模塊的功能特性非常豐富,例如可將啟用和電源指示良好引腳用于排序,而且僅需最少的外部組件,如輸入電容器、輸出電容器、可能還需要一個反饋電阻器。該模塊有助于將圖 1 的電源解決方案簡化為圖 2 的方案??蓪⒓尚碗姼衅麟娫茨K用于為 FPGA 供電,并被 FPGA 廠商視為一種適合的電源解決方案。此外,這些模塊還有助于簡化板面布局,幫助您以前所未有的速度完成設(shè)計。
 

基于FPGEA電源設(shè)計簡化方案

圖 2.采用 LMZ30602 的集成型電感器電源模塊

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