您的FPGA設(shè)計從正確的電源開始

由于 FPGA 具有 可 編 程 和 可 重 配置， 因此 可以 為 加快 設(shè)計 過程 鋪平 道路， 因為 您 可以 隨著 設(shè)計 要求 的 變化 輕松 進行調(diào)整。然而，開發(fā)支持FPGA的電源可能非常具有挑戰(zhàn)性。

FPGA 可以有八個或更多不同的電源軌，需要由 DC-DC 轉(zhuǎn)換器供電。Maxim移動解決方案業(yè)務(wù)部技術(shù)人員Rule表示，需要滿足上電和斷電時序限制，需要優(yōu)化熱量分布效率，需要確保電源設(shè)計緊湊且功率密度保持高。電源軌具有一系列電壓要求，通常低到足以由降壓穩(wěn)壓器或LDO供電。然而，低壓磁軌確實需要高電流，并且會產(chǎn)生快速瞬態(tài)事件。

讓我們來看看與FPGA相關(guān)的關(guān)鍵電源軌及其主要要求：

內(nèi)核電源軌：支持關(guān)鍵內(nèi)部邏輯功能，如可配置邏輯塊、塊 RAM 和 DSP 模塊。在所有電源軌中，核心電源軌具有最高的電流要求，通常具有非常嚴格的精度要求。由于此軌通常位于序列中的第一個，因此必須正確排序。

I/O 軌：為 I/O 輸出驅(qū)動器供電。其電流要求基于設(shè)計中的I/O數(shù)量，與其他電源軌相比，其精度要求通常不那么嚴格（5%）。它在音序器中的優(yōu)先級也較低。

輔助導(dǎo)軌：為輔助功能供電。其電流要求通常非常低，電壓通常為1.8V。該導(dǎo)軌的精度要求通常不如其他導(dǎo)軌嚴格。

收發(fā)器軌：為不同的收發(fā)器模塊供電。電流要求約為1A至約2A，電壓范圍約為1V至1.8V。這種電源軌通常需要高精度和低噪聲。

用于FPGA電源軌規(guī)則的多相降壓穩(wěn)壓器強調(diào)了幾個FPGA電源設(shè)計方向的優(yōu)缺點：分立IC與模塊。
分立器件具有以下優(yōu)點：散熱更好，可根據(jù)應(yīng)用靈活定制，并以更低的成本和更少的電路板空間獲得更好的性能。另一方面，分立IC確實需要更多的設(shè)計工作和更大的物料清單（BOM）。模塊由集成到單個封裝中的多個分立式電源IC組成，具有更容易實現(xiàn)（從而縮短設(shè)計時間）和更小BOM等優(yōu)點。它們也更容易更換。但是，使用模塊有許多缺點：出現(xiàn)問題時難以調(diào)試，性能，成本可能更差，并且可能出現(xiàn)熱性能問題，Rule解釋說。

多相降壓穩(wěn)壓器提供了滿足FPGA功率要求的另一種選擇。如Rule所解釋的那樣，多相降壓穩(wěn)壓器在多組開關(guān)之間分離單個輸出的開關(guān)。這些相位通常是交錯的，并且與相數(shù)成比例。例如：兩相異相 180 度，三相異相 120 度，四相異相 90 度。每相都有自己的電感器、電容和開關(guān)。通過多相調(diào)節(jié)，您可以獲得：

通過紋波電流消除降低輸出紋波

元件尺寸更小，每相電流更小

更好的瞬態(tài)響應(yīng)，存儲在L中的能量更少

借助相位可配置性，您還可以獲得設(shè)計靈活性。在整個設(shè)計過程中，隨著設(shè)計要求的變化，可以更改階段配置。為了說明他的情況，Rule介紹了一個理想為FPGA供電軌的示例：MAX77812四路輸出/四相可配置降壓轉(zhuǎn)換器。該器件支持五種配置：四路輸出（每路 5A）、三路輸出（10 路 5A，兩路 2A）、兩路輸出（10A 時各 15 路）、兩路輸出（5 路 20A 時，2 路 5A）和 5 路輸出 （5A）。其輸入電壓范圍為 0.25V 至 1.525V，輸出電壓范圍為 <>.<>V 至 <>.<>V。

鑒于低壓內(nèi)核電源軌需要高電流并產(chǎn)生快速瞬態(tài)事件，MAX77812非常適合為這些電源軌供電。對于I/O電源軌，電流要求通常足夠低，足以讓降壓轉(zhuǎn)換器的一個相位能夠處理。至于輔助電源軌，MAX77812可以通過額外的電阻分壓器支持其電壓要求。有關(guān)詳細信息，請閱讀應(yīng)用筆記“使用MAX1產(chǎn)生高于525.77812V的輸出電壓”。輔助軌也可以由配套電源管理IC供電。MAX77812還適用于收發(fā)器電源軌;在這些情況下，良好的布局對于最小化開關(guān)噪聲非常重要。

Rule在會話中強調(diào)的MAX77812特性之一是動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS），可用于控制輸送到負載的功率。他解釋說，DVS上“過壓”是為了性能，而DVS上“欠壓”是為了節(jié)省功率。該器件的兩個用戶可編程通用輸入 （GPI） 之一可用于將 DVS 施加到輸出電壓。上/下斜坡速率可通過兩個位域單獨編程。

創(chuàng)建無人值守布局
還介紹了使用降壓轉(zhuǎn)換器創(chuàng)建原理圖的關(guān)鍵步驟：了解FPGA的要求、建立電源、執(zhí)行相位配置、通過I2C或SPI與器件通信以及排序。為了從MAX77812獲得最佳性能，Rule提供了以下布局技巧：

保持布局緊湊，因為越小越好，效率、噪音，當(dāng)然還有空間

保持輸入和輸出電容靠近凸起

使頂層成為熱回路，下一層為接地層，以獲得更好的熱性能、最小的電感和更短的開關(guān)電流路徑

將AGND/DGND和PGND分別連接到地面溢流，以最大限度地降低模擬電路上的噪聲

盡可能對稱地路由多相輸出

將檢測線直接布線到最近的輸出電容

避免斷開接地或熱回路

審核編輯：郭婷