大規模現場可編程門陣列（FPGA）開發系統電源設計研究

3.3 DC/DC控制器電源

DC/DC控制器和DC/DC調整器的差別主要是沒有內置的FETs，因此，它能夠保證設計有很大的靈活性，設計者可以選用有特定導通電阻的外接FET晶體管，并根據應用的需要調整電流限。這在需要十幾甚至幾十A電流的特大規模FPGA開發系統中非常有用。與DC/DC調整器相比，采用這種方案設計，既要選擇適當的輸入/輸出電容、輸出電感，又要選擇符合要求的FET，增加了設計難度和總成本。此外，由于FET外置，占用空間也相對較大。目前DC/DC控制器芯片市場上非常多，比如TI，Linear，Maxim，National等公司都有相應的產品，規格也相當全，僅Maxim一家就有數十種此類產品，設計者可以根據自己的需求選擇合適的芯片。圖2以Maxim的MAX1961為例，描述了DC/DC控制器電源設計的典型電路。MAX1961輸入電壓為2.35V到5.5V；有4個預設的輸出電壓（1.5V，1.8V，2.5V和3.3V)，偏差低于0.5％；輸出電流最高可達20A。

圖2 DC/DC控 制 器 電 源 設 計 典 型 電 路

3.4 電源模塊

電源模塊一般以可插拔的形式給出。就原理上來說，它通常也是個開關穩壓器，所以它的效率也非常高，而且相對于普通開關穩壓器，它的集成度更高，外圍只需要一個輸入電容和一個輸出電容即可工作（這一點于LDO類似），設計相當簡便，特別適合要求開發周期非常短的應用，尤其是原型機的設計。由于電源模塊上集成了幾乎所有可以集成的東西，靈活性相對較差，價格也相對較高。圖3以TI的PT6943為例，描述了用電源模塊設計FPGA電源的典型電路。PT6943是TI的PT6940系列電源模塊的一種，輸入為4.5V至5.5V，它支持3.3V和1.5V兩路輸出，每路輸出的最大電流均為6A，它內部還集成了電壓順序控制，短路保護等功能。

圖 3 用 電 源 模 塊 設 計 FPGA電 源 典 型 電 路

4 FPGA開發板電源設計實例

我們采用TI公司TPS5461X系列DC/DC調整器芯片的TPS54616（輸出3.3V/6A）和TPS54613（輸出1.5V/6A），設計了基于FPGA的MPEG4解碼芯片＊仿真演示開發板的電源（3.3至5V輸入，3.3V和1.5V輸出）。開發板上有兩塊Xilinx的XC2V2000FPGA芯片，規模相對較大。電源部分電路如圖4所示。輸入、輸出電容采用低等效串聯電阻（ESR）的鉭電解電容，輸出電感選用了Pulse公司的PD0120.702，其電感值為7.1μH,直流電阻為9.5mΩ，飽和電流為12.6A。TPS54613的PWRGD輸出連接了TPS54616的SS/ENA引腳，當TPS54613輸出電壓低于1.35V(正常值的90％)時，PWRGD為低，TPS54616處于關閉狀態，當TPS54613輸出電壓高于1.35V時，PWRGD變高，TPS54616開始工作；在關閉電源時，TPS54613輸出電壓降到1.35V時，PWRGD變低，關斷了TPS54616給I/O供電，使得周邊接口先掉電，從而保證了FPGA核心電壓優先于I/O電壓的供電順序，符合一般設計規律。經實際測試，電源各項指標均符合系統要求。

圖4 FPGA開發板電源設計實例電路

5 結語

在設計大規模FPGA開發板電源時，開發者要在系統整體方案的成本，電路板面積和效率之間進行折中。LDO穩壓器為電流輸出要求較低的應用提供了體積小且廉價的解決方案；DC/DC調整器解決方案能夠保證高得多的電源變換效率，散熱簡單，是一般FPGA電源的理想選擇；DC/DC控制器解決方案設計靈活，輸出電流大，是特大規模FPGA開發板的最佳選擇；電源模塊即插即用，為FPGA電源設計提供了一種最為快捷的解決方案。