FPGA對(duì)DC-DC精度的要求不斷提升

FPGA對(duì)DC-DC精度的要求不斷提升

FPGA廠商不斷采用更先進(jìn)的工藝來(lái)降低器件功耗，提高性能，同時(shí)FPGA對(duì)供電電源的精度要求也越加苛刻，電壓必須維持在非常嚴(yán)格的容限內(nèi)，如果供電電壓范圍超出了規(guī)范的要求，就有會(huì)影響到FPGA的可靠性，甚至導(dǎo)致FPGA失效。

無(wú)論是Intel （Altera）FPGA還是Xilinx FPGA均在數(shù)據(jù)手冊(cè)中明確提出了電源精度要求，其中要求最高的是內(nèi)核和高速收發(fā)器的供電。舉例來(lái)看，Intel公司的Cyclone V、Cyclone 10 GX、Arria10、Stratix 10的電源精度要求在±30mV以?xún)?nèi)。

Arria10的core和transceiver數(shù)據(jù)手冊(cè)上的供電要求（±30mV）：

Stratix10的core和transceiver數(shù)據(jù)手冊(cè)上的供電要求（±30mV）：

如果Stratix10需要支持26.6G transceiver時(shí)，收發(fā)器供電精度要求 ±20mV以?xún)?nèi)：

Xilinx公司的Artix 7、Kintex7、Virtex 7等器件電源精度要求也是在±30mV以?xún)?nèi)，KU+、VU+器件要求電源精度必須達(dá)到±22mV以?xún)?nèi)。

Kintek Ultrascale+的core和transceiver數(shù)據(jù)手冊(cè)上的供電要求（±22mV）：

由此可見(jiàn)，新一代FPGA的供電精度都在±20-30mv左右，已經(jīng)是單板中對(duì)電源精度要求最為苛刻的器件之一了。

由于輸出精度都是理論計(jì)算值，并沒(méi)有考慮單板PCB布線和其他外部設(shè)備引入的干擾和誤差，因此實(shí)際設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，電源輸出精度不但必須符合數(shù)據(jù)手冊(cè)中的要求，還必須預(yù)留一定的余量，通常設(shè)計(jì)中，我們還會(huì)保留50%-100%余量，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠工作。

電源的穩(wěn)態(tài)直流精度及計(jì)算方法

供電電源的穩(wěn)態(tài)直流精度主要取決于兩個(gè)因素：電壓調(diào)整精度和輸出電壓紋波。這里有一個(gè)誤區(qū)，很多工程師只通過(guò)DC-DC數(shù)據(jù)手冊(cè)上的電壓輸出精度來(lái)判斷器件是否符合要求，其實(shí)這是不正確的。 首先很多DC-DC需要外部反饋電阻來(lái)決定最終的輸出電壓，數(shù)據(jù)手冊(cè)上的電壓調(diào)整精度是指芯片本身的輸出精度，并沒(méi)有計(jì)算反饋電路引入的偏差。其次，器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上的電壓輸出精度并不包含輸出電壓紋波，必須將兩者疊加計(jì)算才能得到正確的直流穩(wěn)態(tài)精度。

正確的電源穩(wěn)態(tài)直流精度的計(jì)算公式如下：

電源直流穩(wěn)態(tài)精度 =器件輸出精度（這里要求全溫度，全負(fù)載時(shí)的精度，很多器件手冊(cè)只給出典型值，因此要小心)+ ? 紋波 + 外部反饋電阻精度引入的誤差。

高精度電源對(duì)減低FPGA功耗的作用

除了電源精度影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，更高精度的電源還可以幫助我們降低系統(tǒng)功耗。

我們舉一個(gè)例子，一個(gè)FPGA推薦的典型工作電壓為0.85V，最高工作電壓為0.88V，最低工作電壓為0.82V， 假設(shè)供電DC-DC實(shí)際穩(wěn)態(tài)直流精度是±30mV ，那么DC-DC必須正好工作在0.85V，如果電壓更低，就會(huì)低于FPGA對(duì)電壓下限的要求。