透过现象看本质揭秘FPGA电源的几个考虑事项

引言

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。图1提供了来自Vishay microBUCK产品的一种3A稳压器示例。

图1： 阶跃响应为SiP12107。

从图中可以看出，在22 μF (0805) 最小输入和输出电容时，阶跃响应为37 mV Pk-Pk(负载还有一些电容)。稳压器使用电流模式恒定导通时间 (CM-COT) 拓扑结构，且不需要通过外部纹波抑制来提供稳定性。这可以帮助降低元件数量和提供优异的瞬态响应。选择合适的稳压器

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。

多家开关稳压器供应商现在都提供在线仿真工具来辅助电源设计。例如，Vishay稳压器有PowerCAD在线仿真工具支持。在使用上述方法分析了可选器件之后，在线仿真工具可让用户快速完成设计(参见图2的仿真电路原理图)。这个步骤完成后，接着可以检查工作波形，如启动、阶跃响应及稳态工作，以了解电流和电压幅值。该仿真器的特性还包括高效率、所有元件损耗的细分类目以及BOM生成器。

图2：Vishay PowerCAD软件仿真电路原理图

初始设计过程示例

我们以选择时钟速度为362 MHz的Cyclone IV EP4CGX75为例。

1.合理选择器件。从表2可以看出，器件的核心电压在电流为5 A时是1.2V。另外还有来自这个电压轨的另一个1A要求，使得来自该电压轨的总电流要求为6A。实际上，其他两个电压也是这样，并且导致图3所示的电源架构。

图3：示例解决方案

2.运行Vishay PowerCAD仿真器，得到表中的结果。