大规模现场可编程门阵列（FPGA）开发系统电源设计研究
摘要：以Xilinx的FPGA为例，介绍了FPGA开发系统的电源要求和功耗，并给出了采用线性低压降（LDO）稳压器,DC/DC调整器,DC/DC控制器和电源模块等几种电源解决方案。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/179389.htm
1 引言
现场可编程门阵列（FPGA）的出现给电路设计带来了极大的方便，目前，在芯片设计领域也采用FPGA来开发仿真验证平台。这种开发系统的FPGA一般规模较大，功耗也相对较高，因此，其供电系统的好坏直接影响到整个开发系统的稳定性。所以，设计出高效率、高性能的FPGA供电系统具有极其重要的意义。
2 FPGA电源指标要求
我们以Xilinx的FPGA为例，包括Virtex II，Virtex-II Pro，Spartan II和Spartan IIE系列，介绍FPGA的电源指标要求。
2.1 额定电压
FPGA对电源的要求与DSP非常相似，一般需要2.5V，1.8V或1.5V作为核心电压，3.3V或2.5V作为I/O电压，另外Virtex II和Virtex-II Pro还需要3.3V的辅助电压。表1列举了Xilinx不同系列FPGA的电压需求。
表1 FPGA电压需求
| FPGA系列 | Virtex－Ⅱ | Virtex－ⅡPro | Spartan－Ⅱ | Spartan－IIE |
|---|---|---|---|---|
| 核心电压/V | 1.5 | 1.5 | 2.5 | 1.8 |
| I/O电压/V | 3.3 | 2.5 | 3.3 | 3.3 |
| 辅助电压/V | 3.3 | 3.3 | － | － |
2.2 电压上升时间
为了保证FPGA正常启动，核心电压（VCCINT）的上升时间tr必须在特定的范围内，表2列举了不同系列FPGA的这一指标要求。此外，电压上升必须单调，不允许有波动。某些DC/DC变换芯片，比如TI的TPS5461X系列可以外部调节电压上升时间，给设计带来了方便。
表 2 核 心 电 压 上 升 时 间 要 求
| FPGA系列 | Virtex Ⅱ | Virtex Ⅱ Pro | Spartan Ⅱ | Spartan IIE |
|---|---|---|---|---|
| tr要求 | 1 mstr 50 ms | 100 μstr 50 ms | tr 50 ms | 2 mstr 50 ms |
2.3 供电电压顺序
根据Xilinx的文档，对于Virtex II和Virtex-II Pro系列FPGA没有电压顺序要求，推荐所有的供电电压同时上电，否则，可能产生较大的启动电流。对于Spartan－IIE系列，推荐核心电压和I/O电压同时供给。对于Spartan II系列上电顺序可以任意。
设计经验表明，大部分情况下对于Xilinx的FPGA来说，核心电压先于I/O电压供给是个比较好的做法。
2.4 电流监测和限制
对于Spartan II和Spartan IIE系列FPGA，电流监测和限制一般不推荐使用，因为，在核心电压（VCCINT）上升至0.6V到0.8V之间时，该系列FPGA会产生一个较大的启动涌入电流，如果存在监测电路就会降低输出电压以限制电流，使电压上升产生波动。如果一定要采用监测电路，启动限制电流不能低于核心电压（VCCINT）额定电流的2倍。对于其他系列FPGA由于不存在涌入电流，所以无此要求。
2.5 电压功耗估计
FPGA由一个未连接的电路单元阵列组成，通过用户编程进行配置。FPGA的电源功耗一般取决于以下因素：内部资源的使用率，工作时钟频率，输出变化率，布线密度，I/O电压等，见表3。不同的应用，电源实际功耗相差非常大。
表3 FPGA电源功耗因素
| 核心电压功耗因素 | I/O电压功耗因素 |
|---|---|
| 工作时钟频率 | 工作时钟频率 |
| 逻辑单元使用率 | 使用的I/O数目 |
| RAM使用率 | 输出变化率 |
| 输出变化率 | I/O标准 |
| 布线密度 | 输出驱动和负载 |
Xilinx的电源估计软件是一个准确估计各系列FPGA功耗的一个很好的工具。利用此工具我们得到了VirtexII系列FPGA的电流估计结果，见表4。表4中我们做了如下假定：输出变化率25％（450MHz）和15％（100MHz）；逻辑单元使用率为100％；器件工作在单一频率下；布线密度为中等；输出负载电容为30pF；I/O使用率为100％；50％的I/0端口为输入，其余的为输出；输出I/O中16个为DDR标准，其余的为SDR标准。
评论