大规模现场可编程门阵列（FPGA）开发系统电源设计研究
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摘要：以Xilinx的FPGA为例，介绍了FPGA开发系统的电源要求和功耗，并给出了采用线性低压降（LDO）稳压器,DC/DC调整器,DC/DC控制器和电源模块等几种电源解决方案。
关键词：现场可编程门阵列；电源设计；DC/DC变换器
1 引言
现场可编程门阵列（FPGA）的出现给电路设计带来了极大的方便，目前，在芯片设计领域也采用FPGA来开发仿真验证平台。这种开发系统的FPGA一般规模较大，功耗也相对较高，因此，其供电系统的好坏直接影响到整个开发系统的稳定性。所以，设计出高效率、高性能的FPGA供电系统具有极其重要的意义。
2 FPGA电源指标要求
我们以Xilinx的FPGA为例，包括Virtex II，Virtex-II Pro，Spartan II和Spartan IIE系列，介绍FPGA的电源指标要求。
2.1 额定电压
FPGA对电源的要求与DSP非常相似，一般需要2.5V，1.8V或1.5V作为核心电压，3.3V或2.5V作为I/O电压，另外Virtex II和Virtex-II Pro还需要3.3V的辅助电压。表1列举了Xilinx不同系列FPGA的电压需求。
表1 FPGA电压需求
| FPGA系列 | Virtex－Ⅱ | Virtex－ⅡPro | Spartan－Ⅱ | Spartan－IIE |
|---|---|---|---|---|
| 核心电压/V | 1.5 | 1.5 | 2.5 | 1.8 |
| I/O电压/V | 3.3 | 2.5 | 3.3 | 3.3 |
| 辅助电压/V | 3.3 | 3.3 | － | － |
2.2 电压上升时间
为了保证FPGA正常启动，核心电压（VCCINT）的上升时间tr必须在特定的范围内，表2列举了不同系列FPGA的这一指标要求。此外，电压上升必须单调，不允许有波动。某些DC/DC变换芯片，比如TI的TPS5461X系列可以外部调节电压上升时间，给设计带来了方便。
表 2 核 心 电 压 上 升 时 间 要 求
| FPGA系列 | Virtex Ⅱ | Virtex Ⅱ Pro | Spartan Ⅱ | Spartan IIE |
|---|---|---|---|---|
| tr要求 | 1 ms<tr< 50 ms | 100 μs<tr< 50 ms | tr< 50 ms | 2 ms<tr< 50 ms |
2.3 供电电压顺序
根据Xilinx的文档，对于Virtex II和Virtex-II Pro系列FPGA没有电压顺序要求，推荐所有的供电电压同时上电，否则，可能产生较大的启动电流。对于Spartan－IIE系列，推荐核心电压和I/O电压同时供给。对于Spartan II系列上电顺序可以任意。
设计经验表明，大部分情况下对于Xilinx的FPGA来说，核心电压先于I/O电压供给是个比较好的做法。
2.4 电流监测和限制
对于Spartan II和Spartan IIE系列FPGA，电流监测和限制一般不推荐使用，因为，在核心电压（VCCINT）上升至0.6V到0.8V之间时，该系列FPGA会产生一个较大的启动涌入电流，如果存在监测电路就会降低输出电压以限制电流，使电压上升产生波动。如果一定要采用监测电路，启动限制电流不能低于核心电压（VCCINT）额定电流的2倍。对于其他系列FPGA由于不存在涌入电流，所以无此要求。
2.5 电压功耗估计
FPGA由一个未连接的电路单元阵列组成，通过用户编程进行配置。FPGA的电源功耗一般取决于以下因素：内部资源的使用率，工作时钟频率，输出变化率，布线密度，I/O电压等，见表3。不同的应用，电源实际功耗相差非常大。
表3 FPGA电源功耗因素
| 核心电压功耗因素 | I/O电压功耗因素 |
|---|---|
| 工作时钟频率 | 工作时钟频率 |
| 逻辑单元使用率 | 使用的I/O数目 |
| RAM使用率 | 输出变化率 |
| 输出变化率 | I/O标准 |
| 布线密度 | 输出驱动和负载 |
Xilinx的电源估计软件是一个准确估计各系列FPGA功耗的一个很好的工具。利用此工具我们得到了VirtexII系列FPGA的电流估计结果，见表4。表4中我们做了如下假定：输出变化率25％（450MHz）和15％（100MHz）；逻辑单元使用率为100％；器件工作在单一频率下；布线密度为中等；输出负载电容为30pF；I/O使用率为100％；50％的I/0端口为输入，其余的为输出；输出I/O中16个为DDR标准，其余的为SDR标准。[!--empirenews.page--]
表4 VirtexII系列FPGA电源功耗
| 器件型号 | 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 现有的FPGA电源解决方案
根据采用FPGA系列的不同，核心和I/O电压可能是3.3V，2.5V，1.8V和1.5V（参见表1），目前总的来说有三种电源解决方案，分别是线性稳压器电源（LDO），开关稳压器电源（DC/DC调整器和DC/DC控制器，两者的差别主要是内部是否集成FETs），电源模块。在选择方案时，要求设计者综合考虑系统要求，成本，效率，市场需要，设计灵活性及封装等众多因素。
3.1 LDO线性稳压器电源
LDO线性稳压器只适用于降压变换，具体效果与输入/输出电压比有关。从基本原理来说，LDO根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的电压不变。其变换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。如今很多厂商都有适合FPGA应用的低电压、大电流LDO芯片，比如TI的TPS755XX和TPS756XX系列为5A电流输出，TPS759XX系列为7.5A电流输出；Linear的LT1585/A系列为5A输出,LT1581为10A输出；National的LMS1585A系列也为5A输出，并与Linear的LT1585/A系列可以相互替换。LDO芯片所占面积仅为几个mm2，只要求外接输入和输出电容即可工作。由于采用线性调节原理，LDO本质上没有输出纹波。不过随着LDO的输入/输出电压差别增大或者输出电流增加，LDO的发热比也会按比例增大，所以，对散热控制方面要求很高。图1以National的LMS1585A为例的LDO稳压器的典型设计电路，LMS1585A系列有三种型号，分别为1.5V，3.3V和可调电压输出，最大输出电流均为5A。
(a) 3.3/1.5 V固 定 输 出
(b) 可 调 电 压 输 出
图 1 LDO稳 压 器 的 典 型 设 计 电 路
3.2 DC/DC调整器电源
DC/DC调整器利用了磁场储能，无论升压、降压还是两者同时进行，都可以实现相当高的变换效率。与线性稳压（LDO）相比，尽管它要求更大的电路板面积，但对于FPGA这种需要大电流的应用来说却十分理想。由于变换效率高，因此发热很小，这也使得散热处理得以简化。特别是，与LDO器件相比，它常常不需要附加一个成本较高、面积较大的散热器。考虑到DC/DC调整器集成有FETs，使用时只需外接一个电感和必不可少的输入、输出电容，故可以使整个解决方案的空间利用率大大提高。由于是开关稳压器电源，与线性稳压器电源（LDO）相比，DC/DC调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较慢、容易产生电磁干扰（EMI)。要取得低纹波、低EMI、低噪声的电源，关键在于电路设计，尤其是输入/输出电容、输出电感的选择和布局，都有相当的讲究。目前不少IC厂家都有这种适合FPGA应用的大电流DC/DC调整器芯片，最大输出电流达到了9A，比如Elantec的EL7556BC为6A输出，EL7558BC为8A输出；TI的TPS5461X系列为6A输出，TPS54873为9A输出。本文第4部分将以TI的TPS5461X系列为例介绍DC/DC调整器电源设计的实例，参见图4。 [!--empirenews.page--]
3.3 DC/DC控制器电源
DC/DC控制器和DC/DC调整器的差别主要是没有内置的FETs，因此，它能够保证设计有很大的灵活性，设计者可以选用有特定导通电阻的外接FET晶体管，并根据应用的需要调整电流限。这在需要十几甚至几十A电流的特大规模FPGA开发系统中非常有用。与DC/DC调整器相比，采用这种方案设计，既要选择适当的输入/输出电容、输出电感，又要选择符合要求的FET，增加了设计难度和总成本。此外，由于FET外置，占用空间也相对较大。目前DC/DC控制器芯片市场上非常多，比如TI，Linear，Maxim，National等公司都有相应的产品，规格也相当全，仅Maxim一家就有数十种此类产品，设计者可以根据自己的需求选择合适的芯片。图2以Maxim的MAX1961为例，描述了DC/DC控制器电源设计的典型电路。MAX1961输入电压为2.35V到5.5V；有4个预设的输出电压（1.5V，1.8V，2.5V和3.3V)，偏差低于0.5％；输出电流最高可达20A。
图2 DC/DC控 制 器 电 源 设 计 典 型 电 路
3.4 电源模块
电源模块一般以可插拔的形式给出。就原理上来说，它通常也是个开关稳压器，所以它的效率也非常高，而且相对于普通开关稳压器，它的集成度更高，外围只需要一个输入电容和一个输出电容即可工作（这一点于LDO类似），设计相当简便，特别适合要求开发周期非常短的应用，尤其是原型机的设计。由于电源模块上集成了几乎所有可以集成的东西，灵活性相对较差，价格也相对较高。图3以TI的PT6943为例，描述了用电源模块设计FPGA电源的典型电路。PT6943是TI的PT6940系列电源模块的一种，输入为4.5V至5.5V，它支持3.3V和1.5V两路输出，每路输出的最大电流均为6A，它内部还集成了电压顺序控制，短路保护等功能。
图 3 用 电 源 模 块 设 计 FPGA电 源 典 型 电 路
4 FPGA开发板电源设计实例
我们采用TI公司TPS5461X系列DC/DC调整器芯片的TPS54616（输出3.3V/6A）和TPS54613（输出1.5V/6A），设计了基于FPGA的MPEG?4解码芯片＊仿真演示开发板的电源（3.3至5V输入，3.3V和1.5V输出）。开发板上有两块Xilinx的XC2V2000FPGA芯片，规模相对较大。电源部分电路如图4所示。输入、输出电容采用低等效串联电阻（ESR）的钽电解电容，输出电感选用了Pulse公司的PD0120.702，其电感值为7.1μH,直流电阻为9.5mΩ，饱和电流为12.6A。TPS54613的PWRGD输出连接了TPS54616的SS/ENA引脚，当TPS54613输出电压低于1.35V(正常值的90％)时，PWRGD为低，TPS54616处于关闭状态，当TPS54613输出电压高于1.35V时，PWRGD变高，TPS54616开始工作；在关闭电源时，TPS54613输出电压降到1.35V时，PWRGD变低，关断了TPS54616给I/O供电，使得周边接口先掉电，从而保证了FPGA核心电压优先于I/O电压的供电顺序，符合一般设计规律。经实际测试，电源各项指标均符合系统要求。
图4 FPGA开发板电源设计实例电路
5 结语
在设计大规模FPGA开发板电源时，开发者要在系统整体方案的成本，电路板面积和效率之间进行折中。LDO稳压器为电流输出要求较低的应用提供了体积小且廉价的解决方案；DC/DC调整器解决方案能够保证高得多的电源变换效率，散热简单，是一般FPGA电源的理想选择；DC/DC控制器解决方案设计灵活，输出电流大，是特大规模FPGA开发板的最佳选择；电源模块即插即用，为FPGA电源设计提供了一种最为快捷的解决方案。
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