大规模现场可编程门阵列（FPGA）开发系统电源设计研究-电子工程世界

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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。

关键词：现场可编程门阵列；电源设计；DC/DC变换器

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
t_r要求	1 ms<t_r< 50 ms	100 μs<t_r< 50 ms	t_r< 50 ms	2 ms<t_r< 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。

表4 VirtexII系列FPGA电源功耗

器件型号	VCCINT /V	VCCAUX /V	VCCO /V	Max I/O	ICCINT at 450MHz/A	ICCAUX /mA	ICCO at 450MHz/A	ICCINT at 100MHz/mA	ICCO at 100MHz/mA
XC2V500	1.5	3.3	3.3	264	9.87	10	0.58	1804	79
XC2V1000	1.5	3.3	3.3	432	14.6	10	0.91	2585	124
XC2V1500	1.5	3.3	3.3	528	20.5	20	1.1	3566	149
XC2V2000	1.5	3.3	3.3	624	27.3	20	1.28	4758	174
XC2V3000	1.5	3.3	3.3	720	39.8	20	1.49	6971	200
XC2V4000	1.5	3.3	3.3	912	60.2	30	1.85	10454	251
XC2V6000	1.5	3.3	3.3	1104	84.5	40	2.25	14528	303
XC2V8000	1.5	3.3	3.3	1108	111.24	50	2.25	19272	304

3 现有的FPGA电源解决方案

根据采用FPGA系列的不同，核心和I/O电压可能是3.3V，2.5V，1.8V和1.5V（参见表1），目前总的来说有三种电源解决方案，分别是线性稳压器电源（LDO），开关稳压器电源（DC/DC调整器和DC/DC控制器，两者的差别主要是内部是否集成FETs），电源模块。在选择方案时，要求设计者综合考虑系统要求，成本，效率，市场需要，设计灵活性及封装等众多因素。

3.1 LDO线性稳压器电源

LDO线性稳压器只适用于降压变换，具体效果与输入/输出电压比有关。从基本原理来说，LDO根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的电压不变。其变换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。如今很多厂商都有适合FPGA应用的低电压、大电流LDO芯片，比如TI的TPS755XX和TPS756XX系列为5A电流输出，TPS759XX系列为7.5A电流输出；Linear的LT1585/A系列为5A输出,LT1581为10A输出；National的LMS1585A系列也为5A输出，并与Linear的LT1585/A系列可以相互替换。LDO芯片所占面积仅为几个mm²，只要求外接输入和输出电容即可工作。由于采用线性调节原理，LDO本质上没有输出纹波。不过随着LDO的输入/输出电压差别增大或者输出电流增加，LDO的发热比也会按比例增大，所以，对散热控制方面要求很高。图1以National的LMS1585A为例的LDO稳压器的典型设计电路，LMS1585A系列有三种型号，分别为1.5V，3.3V和可调电压输出，最大输出电流均为5A。

(a) 3.3/1.5 V固定输出

(b) 可调电压输出

图 1 LDO稳压器的典型设计电路

3.2 DC/DC调整器电源

DC/DC调整器利用了磁场储能，无论升压、降压还是两者同时进行，都可以实现相当高的变换效率。与线性稳压（LDO）相比，尽管它要求更大的电路板面积，但对于FPGA这种需要大电流的应用来说却十分理想。由于变换效率高，因此发热很小，这也使得散热处理得以简化。特别是，与LDO器件相比，它常常不需要附加一个成本较高、面积较大的散热器。考虑到DC/DC调整器集成有FETs，使用时只需外接一个电感和必不可少的输入、输出电容，故可以使整个解决方案的空间利用率大大提高。由于是开关稳压器电源，与线性稳压器电源（LDO）相比，DC/DC调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较慢、容易产生电磁干扰（EMI)。要取得低纹波、低EMI、低噪声的电源，关键在于电路设计，尤其是输入/输出电容、输出电感的选择和布局，都有相当的讲究。目前不少IC厂家都有这种适合FPGA应用的大电流DC/DC调整器芯片，最大输出电流达到了9A，比如Elantec的EL7556BC为6A输出，EL7558BC为8A输出；TI的TPS5461X系列为6A输出，TPS54873为9A输出。本文第4部分将以TI的TPS5461X系列为例介绍DC/DC调整器电源设计的实例，参见图4。

3.3 DC/DC控制器电源

DC/DC控制器和DC/DC调整器的差别主要是没有内置的FETs，因此，它能够保证设计有很大的灵活性，设计者可以选用有特定导通电阻的外接FET晶体管，并根据应用的需要调整电流限。这在需要十几甚至几十A电流的特大规模FPGA开发系统中非常有用。与DC/DC调整器相比，采用这种方案设计，既要选择适当的输入/输出电容、输出电感，又要选择符合要求的FET，增加了设计难度和总成本。此外，由于FET外置，占用空间也相对较大。目前DC/DC控制器芯片市场上非常多，比如TI，Linear，Maxim，National等公司都有相应的产品，规格也相当全，仅Maxim一家就有数十种此类产品，设计者可以根据自己的需求选择合适的芯片。图2以Maxim的MAX1961为例，描述了DC/DC控制器电源设计的典型电路。MAX1961输入电压为2.35V到5.5V；有4个预设的输出电压（1.5V，1.8V，2.5V和3.3V)，偏差低于0.5％；输出电流最高可达20A。

图2 DC/DC控制器电源设计典型电路

3.4 电源模块

电源模块一般以可插拔的形式给出。就原理上来说，它通常也是个开关稳压器，所以它的效率也非常高，而且相对于普通开关稳压器，它的集成度更高，外围只需要一个输入电容和一个输出电容即可工作（这一点于LDO类似），设计相当简便，特别适合要求开发周期非常短的应用，尤其是原型机的设计。由于电源模块上集成了几乎所有可以集成的东西，灵活性相对较差，价格也相对较高。图3以TI的PT6943为例，描述了用电源模块设计FPGA电源的典型电路。PT6943是TI的PT6940系列电源模块的一种，输入为4.5V至5.5V，它支持3.3V和1.5V两路输出，每路输出的最大电流均为6A，它内部还集成了电压顺序控制，短路保护等功能。

图 3 用电源模块设计 FPGA电源典型电路

4 FPGA开发板电源设计实例

我们采用TI公司TPS5461X系列DC/DC调整器芯片的TPS54616（输出3.3V/6A）和TPS54613（输出1.5V/6A），设计了基于FPGA的MPEG4解码芯片＊仿真演示开发板的电源（3.3至5V输入，3.3V和1.5V输出）。开发板上有两块Xilinx的XC2V2000FPGA芯片，规模相对较大。电源部分电路如图4所示。输入、输出电容采用低等效串联电阻（ESR）的钽电解电容，输出电感选用了Pulse公司的PD0120.702，其电感值为7.1μH,直流电阻为9.5mΩ，饱和电流为12.6A。TPS54613的PWRGD输出连接了TPS54616的SS/ENA引脚，当TPS54613输出电压低于1.35V(正常值的90％)时，PWRGD为低，TPS54616处于关闭状态，当TPS54613输出电压高于1.35V时，PWRGD变高，TPS54616开始工作；在关闭电源时，TPS54613输出电压降到1.35V时，PWRGD变低，关断了TPS54616给I/O供电，使得周边接口先掉电，从而保证了FPGA核心电压优先于I/O电压的供电顺序，符合一般设计规律。经实际测试，电源各项指标均符合系统要求。

图4 FPGA开发板电源设计实例电路

5 结语

在设计大规模FPGA开发板电源时，开发者要在系统整体方案的成本，电路板面积和效率之间进行折中。LDO稳压器为电流输出要求较低的应用提供了体积小且廉价的解决方案；DC/DC调整器解决方案能够保证高得多的电源变换效率，散热简单，是一般FPGA电源的理想选择；DC/DC控制器解决方案设计灵活，输出电流大，是特大规模FPGA开发板的最佳选择；电源模块即插即用，为FPGA电源设计提供了一种最为快捷的解决方案。

关键字：现场可编程门阵列电源设计 DC/DC变换器编辑：冰封引用地址：大规模现场可编程门阵列（FPGA）开发系统电源设计研究

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