關于為FPGA應用設計優(yōu)秀的電源管理解決方案已經有許多技術討論，因為這不是一項簡單的任務。此任務的一個方面涉及找到合適的解決方案并選擇最合適的電源管理產品，另一方面則是如何優(yōu)化用于FPGA的實際解決方案。

尋找合適的電源解決方案

尋找功率FPGA最佳解決方案并非易事。許多供應商推銷某些適用于FPGA的產品。什么使得選擇專門為FPGA供電的DC-DC轉換器？不多。一般而言，所有功率轉換器都可用于為FPGA供電。針對某些產品的建議通常基于以下事實：許多FPGA應用需要多個電壓軌，例如用于FPGA內核，I / O以及用于DDR存儲器終端的附加軌道。通常將PMIC（電源管理集成電路）（其中多個DC-DC轉換器全部集成到單個調節(jié)器芯片中）為首選。

一種尋找為特定FPGA供電的良好解決方案的流行方式是使用許多FPGA供應商提供的預先存在的電源管理參考設計。這是優(yōu)化設計的一個很好的起點。然而，這種設計的修改往往是必要的，因為帶有FPGA的系統(tǒng)通常需要額外的電壓軌和負載，這些電源軌也需要供電。對參考設計的補充通常也是必要的。需要考慮的另一件事是FPGA的輸入功率不是固定的。輸入電壓很大程度上取決于實際的邏輯電平以及FPGA正在實施的設計。完成對電源管理參考設計的修改后，它將與參考設計的原始建議看起來有所不同。

圖1. LTpowerCAD工具選擇合適的DC-DC轉換器來為FPGA供電。

LTpowerCAD可用于為各個電壓軌提供電源解決方案。它還提供了一系列參考設計，為設計人員提供了一個很好的起點。可從ADI公司網站免費下載LTpowerCAD。

一旦選擇了電源架構和單個電壓轉換器，我們就需要選擇合適的無源元件并設計電源。當這樣做時，我們需要牢記FPGA的特殊負載要求。

這些是：

個人目前的要求

電壓軌排序

電壓軌的單調上升

快速功率瞬態(tài)

電壓準確度

個人電流要求

任何FPGA的實際電流消耗在很大程度上取決于用例。不同的時鐘和不同的FPGA內容需要不同的功率。因此，在FPGA系統(tǒng)設計過程中，典型FPGA設計的最終電源規(guī)格必然會發(fā)生變化。FPGA制造商提供的功耗估算工具有助于計算解決方案所需的功率級別。在構建實際硬件之前，這些信息非常有用。盡管如此，FPGA的設計需要是最終的，或者至少接近最終的，以便利用這種功率估計器獲得有意義的結果。

通常情況下，工程師會考慮最大的FPGA電流來設計電源。然后，如果事實證明，實際的FPGA設計需要更少的功率，它們會縮減電源。

電壓軌序列

許多FPGA需要不同的電源電壓軌才能以特定的順序出現。在I / O電壓上升之前，通常需要提供內核電壓。否則一些FPGA將被損壞。為了避免這種情況，電源需要按正確的順序排序。通過使用標準DC-DC轉換器上的使能引腳，可以輕松完成簡單的上電順序。但是，通常還需要控制降序測序。僅啟用引腳排序時，很難取得好的結果。更好的解決方案是使用具有高級集成式排序功能的PMIC，例如ADP5014。圖2中以紅色表示可啟動可逆向逆序排列的特殊電路模塊。

圖2. ADP5014 PMIC，集成了對靈活的上行和下行排序的支持。

圖3顯示了使用此設備完成的排序。ADP5014上的延遲（DL）引腳可以輕松調整上行和下行時序的時間延遲。

如果使用單獨的電源，附加的測序芯片可以負責所需的開/關順序。LTC2924就是一個例子，它可以控制DC-DC轉換器的使能引腳來打開和關閉電源，或者它可以驅動高端N溝道MOSFET來連接和分離FPGA到某個電壓軌。

圖3.多個FPGA電源電壓的啟動和關閉順序。

電壓軌的單調上升

除了電壓排序之外，啟動過程中電壓的單調上升也可能是必要的。這意味著電壓只會線性上升，如圖4中的電壓A所示。此圖中的電壓B顯示電壓不是單調上升的示例。當負載在啟動過程中開始以一定的電壓電平拉動大電流時會發(fā)生這種情況。防止這種情況的一種方法是允許更長時間的電源軟啟動并選擇能夠快速提供大量電流的電源轉換器。

圖4.電壓A單調上升，電壓B不單調上升。

快速功率瞬變

FPGA的另一個特點是FPGA非常迅速地開始繪制高電流。它們在電源上造成高負載瞬態(tài)。出于這個原因，許多FPGA需要大量的輸入電壓去耦。陶瓷電容器在VCORE和器件的GND引腳之間使用非常緊密。高達1 mF的值非常普遍。這種高電容有助于減少對電源的需求，以提供非常高的峰值電流。但是，許多開關穩(wěn)壓器和LDO具有指定的最大輸出電容。FPGA的輸入電容要求可能超過電源允許的最大輸出電容。

電源不喜歡巨大的輸出電容，因為在啟動期間，該電容組看起來像是開關穩(wěn)壓器輸出端的短路。有這個問題的解決方案。長時間的軟啟動時間可以使大電容器組上的電壓穩(wěn)定地升高，而無需電源進入短路電流限制模式。

圖5.許多FPGA的輸入電容要求。

某些電源轉換器不喜歡過度輸出電容的另一個原因是該電容值成為調節(jié)環(huán)路的一部分。集成環(huán)路補償的轉換器不允許輸出電容過大，以防止穩(wěn)壓器的環(huán)路不穩(wěn)定。如圖6所示，通常可以通過使用高端反饋電阻上的前饋電容來影響控制環(huán)路。

圖6.前饋電容允許在沒有環(huán)路補償引腳可用時進行控制環(huán)路調整。

對于電源的負載瞬態(tài)和啟動行為，包括LTpowerCAD，尤其是LTspice的開發(fā)工具鏈非常有用。一種有助于建模和仿真的效果是將FPGA的大輸入電容與電源的輸出電容去耦。圖6顯示了這個概念。雖然POL（負載點）電源趨向于位于負載附近，但通常在電源和FPGA輸入電容之間存在一些PCB走線。當電路板上有多個彼此相鄰的FPGA輸入電容器時，離電源最遠的那些輸入電容器對電源的傳輸功能的影響較小，因為它們之間存在一些電阻，但也會有寄生線跡電感。這些寄生電路板電感可以允許FPGA的輸入電容大于電源輸出電容的最大極限，即使所有電容連接到電路板上的同一節(jié)點。在LTspice中，寄生曲線電感可以添加到原理圖中，并且可以模擬這些影響。當電路建模中包含足夠的寄生元件時，仿真結果接近實際。

圖7.電源輸出電容和FPGA輸入電容之間的寄生去耦。

電壓準確度

FPGA電源的電壓精度通常需要非常高。只有3％的變化容差帶是相當普遍的。例如，在3％的電壓精度窗口內保持Stratix V內核電源電壓為0.85 V，就需要一個僅為25.5 mV的完整容限。這個小窗口包括負載瞬變后的電壓變化以及直流精度。同樣，包括LTpowerCAD和LTspice在內的可用電源工具鏈在電源設計過程中對于嚴格的要求至關重要。

最后一條建議是關于選擇FPGA輸入電容器。為了快速提供大電流，通常選擇陶瓷電容器。他們?yōu)榇四康暮芎玫毓ぷ鳎麄冃枰贿x擇，以便他們的真實電容值不會隨直流偏置電壓下降。一些陶瓷電容器，尤其是Y5U類型的陶瓷電容器，當其直流電壓偏置到最大額定直流電壓時，它們的真實電容值只會降低到標稱面值的20％。