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电子技术解密：简化FPGA电源设计方案
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作者:
forsuccess
时间:
2014-5-25 20:08
标题:
电子技术解密：简化FPGA电源设计方案
FPGA即现场可编程门阵列，它是一种多电源需求的芯片，在电子技术设计中常见电子芯片，那么在对其供电的时候肯定对电源设计的要求也是严格的，多电源设计是复杂的，我们要FPGA高效运行需要简化电源设计，节约成本，下面即是具体的电源设计方法。
FPGA是一种多电源需求的芯片，主要有3种电源需求：
1.Vccint核心工作电压
一般电压都很低，目前常用的FPGA都在1.2V左右。为FPGA的内部各种逻辑供电，电流从几百毫安到几安不等，具体取决于内部逻辑的工作时钟速率以及所占用的逻辑资源。对于这个电源来说，负载时一个高度容性阻抗，对电源的瞬态响应要求很高，而且由于驱动电压低工作电流大，对PCB的布线电阻非常敏感，需要特别注意走线宽度，尽可能减少布线电阻带来的损耗。
2.VccoI/O驱动电源
FPGA经常要与多种不同电平接口的芯片通信，所以通常都会支持非常多的电平标准。Vcco就是为FPGA的I/O驱动逻辑供电。不同的电平标准需要不同的I/O电压来对应，具体可以参见FPGA的相关芯片手册，比如XilinxSpartan6系列，就应该查询Xilinx官方文档，编号ds162.pdf，在page7table7RecommendedOperatingConditionsforUserI/OsUsingSingle-EndedStandards有详细说明。另外FPGA为了同时能和多种不同的电平标准接口芯片通信，Vcco通常以BANK为界，互相之间相互独立，也就是说在一颗FPGA芯片上同时存在几种不同的I/O电压。当然同一个BANK只能存在1种I/O电压。
3.Vccaux辅助电源
FPGA并不是一个单纯的数字逻辑芯片，内部也带有一些模拟组件，比如Xilinx的DCM数字时钟管理组件，这些模拟类的组件对电源的电源抑制比（PSRR）也就是电源噪声，或者说电源纹波非常敏感，所以通常会用一个独立的供电电源。这个电源的电流需求一般都不大，但对电源的噪声容忍度很低。所以应该尽可能的提高其电源纯净度。比如不直接用开关电源供电，先使用LDO稳压后再供给Vccaux。另外Vccaux还给部分的I/O供电，比如功能选择引脚，JTAG等，具体还得参考芯片手册的电源相关说明。
既然有这么多电源需求，那么电源设计的时候就不得不考虑电源设计方面的一些问题了。
为FPGA供电时需要考虑若干电源设计方面的问题：
1.增加了输出电压轨数量
2.需要为电轨设置设定点精度
3.需要优化设计中的无源板面布局才能实现极低的纹波噪声
4.需要AC瞬态响应，以及补偿环路
另外，不要忘了还有排序以及更多所需功能。
图1显示了FPGA开发套件中典型的FPGA电源解决方案。设计该方案除了要选择正确的器件和电感器外，还需要具备一些其它的专业知识。例如，需要考虑部件放置和板面布局方面的细节。
图1.典型的FPGA电源解决方案
那么，如何才能简化电源设计呢？
幸运的是，有多种解决方案都有助于实现简化。重点介绍两种能够帮助您快速便捷地实现设计目标的创新技术。
简化电源设计方法一：
需要着重介绍的技术是用于创建FPGA电源解决方案的WEBENCHFPGAArchitect设计工具（原理设计加仿真结果）
WEBENCHFPGAArchitect设计工具可帮助您：
选择您想要的FPGA厂商，选择您将使用的FPGA产品系列，满足由FPGA厂商提供的FPGA电源估计器工具定义的电源需求。
执行这几个简单步骤就可成就FPGA电源解决方案，并在产品尺寸、效率和成本方面全方位实现优化。这种易用型工具能帮助您克服初始障碍，将设计时间从几天缩短至几分钟，从而赢得领先优势。
简化电源设计方法二：
是集成型电感器电源模块，它可以切实简化设计方案。
电源模块主要在单个IC封装中集成电感器，但也可集成其它外部组件，如FET、补偿环路（若需要）以及反馈电阻器等。电源模块的功能特性非常丰富，例如可将启用和电源指示良好引脚用于排序，而且仅需最少的外部组件，如输入电容器、输出电容器、可能还需要一个反馈电阻器。该模块有助于将图1的电源解决方案简化为图2的方案。可将集成型电感器电源模块用于为FPGA供电，并被FPGA厂商视为一种适合的电源解决方案。此外，这些模块还有助于简化板面布局，帮助您以前所未有的速度完成设计。
图2.采用LMZ30602的集成型电感器电源模块
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