大規模現場可編程門陣列（FPGA）開發系統電源設
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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。
關鍵詞：現場可編程門陣列；電源設計；DC/DC變換器
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。
表4 VirtexII系列FPGA電源功耗
| 器件型號 | 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 現有的FPGA電源解決方案
根據采用FPGA系列的不同，核心和I/O電壓可能是3.3V，2.5V，1.8V和1.5V（參見表1），目前總的來說有三種電源解決方案，分別是線性穩壓器電源（LDO），開關穩壓器電源（DC/DC調整器和DC/DC控制器，兩者的差別主要是內部是否集成FETs），電源模塊。在選擇方案時，要求設計者綜合考慮系統要求，成本，效率，市場需要，設計靈活性及封裝等眾多因素。
3.1 LDO線性穩壓器電源
LDO線性穩壓器只適用于降壓變換，具體效果與輸入/輸出電壓比有關。從基本原理來說，LDO根據負載電阻的變化情況來調節自身的內電阻，從而保證穩壓輸出端的電壓不變。其變換效率可以簡單地看作輸出與輸入電壓之比。如今很多廠商都有適合FPGA應用的低電壓、大電流LDO芯片，比如TI的TPS755XX和TPS756XX系列為5A電流輸出，TPS759XX系列為7.5A電流輸出；Linear的LT1585/A系列為5A輸出,LT1581為10A輸出；National的LMS1585A系列也為5A輸出，并與Linear的LT1585/A系列可以相互替換。LDO芯片所占面積僅為幾個mm2，只要求外接輸入和輸出電容即可工作。由于采用線性調節原理，LDO本質上沒有輸出紋波。不過隨著LDO的輸入/輸出電壓差別增大或者輸出電流增加，LDO的發熱比也會按比例增大，所以，對散熱控制方面要求很高。圖1以National的LMS1585A為例的LDO穩壓器的典型設計電路，LMS1585A系列有三種型號，分別為1.5V，3.3V和可調電壓輸出，最大輸出電流均為5A。
(a) 3.3/1.5 V固 定 輸 出
(b) 可 調 電 壓 輸 出
圖 1 LDO穩 壓 器 的 典 型 設 計 電 路
3.2 DC/DC調整器電源
DC/DC調整器利用了磁場儲能，無論升壓、降壓還是兩者同時進行，都可以實現相當高的變換效率。與線性穩壓（LDO）相比，盡管它要求更大的電路板面積，但對于FPGA這種需要大電流的應用來說卻十分理想。由于變換效率高，因此發熱很小，這也使得散熱處理得以簡化。特別是，與LDO器件相比，它常常不需要附加一個成本較高、面積較大的散熱器。考慮到DC/DC調整器集成有FETs，使用時只需外接一個電感和必不可少的輸入、輸出電容，故可以使整個解決方案的空間利用率大大提高。由于是開關穩壓器電源，與線性穩壓器電源（LDO）相比，DC/DC調整器輸出紋波電壓較大、瞬時恢復時間較慢、容易產生電磁干擾（EMI)。要取得低紋波、低EMI、低噪聲的電源，關鍵在于電路設計，尤其是輸入/輸出電容、輸出電感的選擇和布局，都有相當的講究。目前不少IC廠家都有這種適合FPGA應用的大電流DC/DC調整器芯片，最大輸出電流達到了9A，比如Elantec的EL7556BC為6A輸出，EL7558BC為8A輸出；TI的TPS5461X系列為6A輸出，TPS54873為9A輸出。本文第4部分將以TI的TPS5461X系列為例介紹DC/DC調整器電源設計的實例，參見圖4。
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MPEG?4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。
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