大規模現場可編程門陣列（FPGA）開發系統電源設計研究
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摘要：以Xilinx的FPGA為例，介紹了FPGA開發系統的電源要求和功耗，并給出了采用線性低壓降（LDO）穩壓器,DC/DC調整器,DC/DC控制器和電源模塊等幾種電源解決方案。
本文引用地址：http://www.104case.com/article/179389.htm
1 引言
現場可編程門陣列（FPGA）的出現給電路設計帶來了極大的方便，目前，在芯片設計領域也采用FPGA來開發仿真驗證平臺。這種開發系統的FPGA一般規模較大，功耗也相對較高，因此，其供電系統的好壞直接影響到整個開發系統的穩定性。所以，設計出高效率、高性能的FPGA供電系統具有極其重要的意義。
2 FPGA電源指標要求
我們以Xilinx的FPGA為例，包括Virtex II，Virtex-II Pro，Spartan II和Spartan IIE系列，介紹FPGA的電源指標要求。
2.1 額定電壓
FPGA對電源的要求與DSP非常相似，一般需要2.5V，1.8V或1.5V作為核心電壓，3.3V或2.5V作為I/O電壓，另外Virtex II和Virtex-II Pro還需要3.3V的輔助電壓。表1列舉了Xilinx不同系列FPGA的電壓需求。
表1 FPGA電壓需求
| FPGA系列 | Virtex－Ⅱ | Virtex－ⅡPro | Spartan－Ⅱ | Spartan－IIE |
|---|---|---|---|---|
| 核心電壓/V | 1.5 | 1.5 | 2.5 | 1.8 |
| I/O電壓/V | 3.3 | 2.5 | 3.3 | 3.3 |
| 輔助電壓/V | 3.3 | 3.3 | － | － |
2.2 電壓上升時間
為了保證FPGA正常啟動，核心電壓（VCCINT）的上升時間tr必須在特定的范圍內，表2列舉了不同系列FPGA的這一指標要求。此外，電壓上升必須單調，不允許有波動。某些DC/DC變換芯片，比如TI的TPS5461X系列可以外部調節電壓上升時間，給設計帶來了方便。
表 2 核 心 電 壓 上 升 時 間 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 供電電壓順序
根據Xilinx的文檔，對于Virtex II和Virtex-II Pro系列FPGA沒有電壓順序要求，推薦所有的供電電壓同時上電，否則，可能產生較大的啟動電流。對于Spartan－IIE系列，推薦核心電壓和I/O電壓同時供給。對于Spartan II系列上電順序可以任意。
設計經驗表明，大部分情況下對于Xilinx的FPGA來說，核心電壓先于I/O電壓供給是個比較好的做法。
2.4 電流監測和限制
對于Spartan II和Spartan IIE系列FPGA，電流監測和限制一般不推薦使用，因為，在核心電壓（VCCINT）上升至0.6V到0.8V之間時，該系列FPGA會產生一個較大的啟動涌入電流，如果存在監測電路就會降低輸出電壓以限制電流，使電壓上升產生波動。如果一定要采用監測電路，啟動限制電流不能低于核心電壓（VCCINT）額定電流的2倍。對于其他系列FPGA由于不存在涌入電流，所以無此要求。
2.5 電壓功耗估計
FPGA由一個未連接的電路單元陣列組成，通過用戶編程進行配置。FPGA的電源功耗一般取決于以下因素：內部資源的使用率，工作時鐘頻率，輸出變化率，布線密度，I/O電壓等，見表3。不同的應用，電源實際功耗相差非常大。
表3 FPGA電源功耗因素
| 核心電壓功耗因素 | I/O電壓功耗因素 |
|---|---|
| 工作時鐘頻率 | 工作時鐘頻率 |
| 邏輯單元使用率 | 使用的I/O數目 |
| RAM使用率 | 輸出變化率 |
| 輸出變化率 | I/O標準 |
| 布線密度 | 輸出驅動和負載 |
Xilinx的電源估計軟件是一個準確估計各系列FPGA功耗的一個很好的工具。利用此工具我們得到了VirtexII系列FPGA的電流估計結果，見表4。表4中我們做了如下假定：輸出變化率25％（450MHz）和15％（100MHz）；邏輯單元使用率為100％；器件工作在單一頻率下；布線密度為中等；輸出負載電容為30pF；I/O使用率為100％；50％的I/0端口為輸入，其余的為輸出；輸出I/O中16個為DDR標準，其余的為SDR標準。
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