大规模现场可编程门阵列（FPGA）开发系统电源设计研究

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。