TI專家分享：如何進行單片FPGA電源解決方案的實施？

來源：TI  作者：Hector F. Arroyo2013年05月31日 10:41

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[導讀] 本文我們將探討幾種可用作單片FPGA電力供應的市售多輸出穩壓器，并了解如何通過一些現有帶隙穩壓器實現次1.25V輸出。

關鍵詞：穩壓器FPGA電源微控制器

　　基于FPGA的系統正變得越來越普遍，因其具有通過代碼增加特性或者實現改進的靈活性，許多設計人員都鐘愛FPGA型構架。但是設計出一款合格的電源需要面對許多挑戰，首先是多電源軌問題。FPGA至少需要一個電壓用于驅動內核，一個（或者多個）電壓用于驅動I/O觸排。然而，基于FPGA的系統可能會要求更多的軌，用于驅動雙倍數據速率（DDR）內存、收發器、以太網物理層IC（PHY）、ADC或者小型微控制器。另外，這些電壓軌需要有專門的架構：次1.25V輸出、單調上升、排序和受控上升時間等。

　　盡管設計工程師和半導體制造廠商始終致力于提供集成、易用型替代方法，但在許多時候設計人員仍會利用現有功能，實現遠超傳統數據表電路的最佳解決方案。在這篇文章中，我們將探討幾種可用作單片FPGA電力供應的市售多輸出穩壓器，并了解如何通過一些現有帶隙穩壓器實現次1.25V輸出。

　　圖1顯示了一個使用單片電源供電FPGA（如Altera公司的Cyclone器件）的典型應用簡化結構圖。TI公司的LM2717是一款集成雙輸出開關式穩壓器IC，可向內核提供2A電流（3.2A峰值），1.5V電壓，向I/O提供1.5A電流（2.2A峰值），3.3V電壓。

　　圖1 1.5V內核和3.3V I/O中等功耗FPGA的LM2717雙集成開關模式電源

　　LM2717是一款中等功耗、單片解決方案，擁有實現緊湊型、90%以上效率電源所需的簡易性和靈活性，可通過各種電源達到包括FPGA在內的許多數字多軌系統規范要求：5V、12V或者4V到20V范圍內的傳統電源適配器。LM2717擁有一個可調節輸出和一個3.3V的固定輸出（常見軌），其通過在輸出端安裝內部輸出電壓設置電阻器幫助節省空間和提高輸出電壓精度。LM2717-ADJ是原版LM2717 IC的改進版，其允許兩個輸出均為可調節輸出，這在需要不同I/O電壓的情況下非常有用。

　　Altera公司關于Cyclone和Cyclone II以及許多其他最新一代FPGA（例如：Xilinx Spartan 3E）的技術文獻表明，這些FPGA在通電期間不要求對其電壓軌進行任何特定排序。但是，系統需要或者為其他FPGA供電時，單個激活引腳（SHDN1 & SHDN2）仍然會出現在LM2717上，目的是在某個具體時間或者以某個特定的順序開啟每個輸出。同樣，單獨的軟啟動引腳（SS1和SS2）允許LM2717為每個輸出電壓設置不同的上升時間，以滿足單個FPGA和其他數字內核的制造廠商規范。

　　圖2顯示了一個由LM3370（一種雙600mA每通道集成同步降壓穩壓器）供電的低功耗1.2V、90nm FPGA（Xilinx的Spartan 3L）。

　　圖2 1.2V內核和2.5V I/O以及VCCAUX低功耗FPGA的LM3370雙集成同步開關式電源

　　我們可以用50mV步進（核心電源理想值）把一條通道的電壓從1V調節至2V，同時對另一條通道進行編程用100 mV步進（I/O電源理想值）把輸出從1.8V調節至3.3V。每個輸出都有單獨的激活引腳、內部軟啟動、快速瞬態響應和上電重置標記，使這種IC成為一種單片最少外部組件解決方案，是驅動低功耗FPGA和其他多軌數字內核的最佳選擇。

　　由于有預編程輸出電壓和單獨激活引腳，因此使用LM3370很方便。板上I2C兼容接口允許用戶修改IC的各種參數（即使是動態地修改），從而獲得更高的靈活性。這些參數包括輸出電壓設置（每條通道）、輸出激活（每條通道）、開關模式選擇（自動PWM-PFM，實現輕負載條件下的高效率；固定PWM，實現固定頻率工作）、擴展頻譜特性激活和擴展頻譜頻率范圍選擇。

　　96%高效率LP3906擁有數字可編程靈活性

　　LP3906具有2個可編程降壓穩壓器，用于支持內核和其他高電流軌；2個可編程LDO，用于支持內部處理器功能和外圍設備；另有I2C獨立控制LP3906和外圍設備。

　　圖3 LP3906結構

　　圖4所示簡化結構圖顯示了一個三軌、高功耗FPGA電源的實現。在這種情況下，LM2633控制器向Xilinx Virtex5內核提供1.0V電壓，向I/O提供3.3V，并為VCCAUX提供2.5V。LM2633是一種三輸出IC，它是如何實現技術舊為新用的一個完美例子，其突破了原有的應用傳統。三個LM2633輸出中的兩個使用一個同步整流降壓構架，向中高電流負載（5A到15A每條通道）提供最大效率，同時它還集成了一個LDO控制器，用于第三個低功耗輸出。開關式輸出之一有一個介于0.900到2.000之間的電壓范圍，使其成為數字器件內核供電的完美選擇。第二個開關式輸出范圍為1.25V到6V，足以供電I/O、內存和其他負載。為了實現更高的精確度和靈活性，通過一個5比特并行數字字實現低電壓輸出可編程性，其可以硬接線或者靠近連接某個處理器，以在需要時實現動態電壓調節。

　　圖4 1.0V內核、3.3V I/O和2.5V VCCAUX高功耗FPGA的LM2633三開關式/線性控制器電源

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本文導航

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