為FPGA應用設計優秀電源管理解決方案不是一項簡單的任務，相關技術討論有很多。本文一方面旨在找到正確解決方案并選擇最合適的電源管理產品，另一方面則是如何優化實際解決方案以用于FPGA。

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找到合適的電源解決方案

尋找為FPGA供電的最佳解決方案并不簡單。許多供應商以適合為FPGA供電的名義推銷某些產品。為FPGA供電的DC-DC轉換器選擇有何特定要求？其實并不多。一般而言，所有電源轉換器都可用來為FPGA供電。推薦某些產品通常是基于以下事實：許多FPGA應用需要多個電壓軌，例如用于FPGA內核和I/O，還可能需要額外的電壓軌來用于DDR存儲器。將多個DC-DC轉換器全部集成到單個穩壓器芯片中的PMIC（電源管理集成電路）常常是首選。

一種為特定FPGA尋找優秀供電解決方案的流行方法是使用許多FPGA供應商都提供的已有電源管理參考設計。這對于優化設計來說是一個很好的入門方式。但此類設計往往需要修改，因為FPGA系統通常需要額外的電壓軌和負載，這些也需要供電。在參考設計上增加一些東西常常也是必要的。還有一件事需要考慮，那就是FPGA的輸入電源不是固定的。輸入電壓在很大程度上取決于實際的邏輯電平以及FPGA所實現的設計。完成對電源管理參考設計的修改之后，它看起來將與最初的參考設計不同。可能有人會辯稱，最好的解決方案是根本不用電源管理參考設計，而是直接將所需的電壓軌和電流輸入到電源管理選型與優化工具中，例如ADI公司的 LTpowerCAD等。

圖1. 通過LTpowerCAD工具選擇合適的DC-DC轉換器來為FPGA供電。

LTpowerCAD可用來為各個電壓軌提供電源解決方案。它還提供一系列參考設計，以讓設計人員快速入門。LTpowerCAD可以從ADI公司網站免費下載。

一旦選擇了電源架構和各個電壓轉換器，就需要選擇合適的無源元件來設計電源。做這件事時，需要牢記FPGA的特殊負載要求。

它們分別是：

• 各項電流需求

• 電壓軌時序控制

• 電壓軌單調上升

• 快速電源瞬變

• 電壓精度

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各項電流需求

FPGA的實際電流消耗在很大程度上取決于使用情況。不同的時鐘和不同的FPGA內容需要不同的功率。因此，在FPGA系統的設計過程中，典型FPGA設計的最終電源規格必然會發生變化。FPGA制造商提供的功率估算工具有助于計算解決方案所需的功率等級。在構建實際硬件之前，獲得這些信息會非常有用。但是，為了利用此類功率估算工具獲得有意義的結果，FPGA的設計必須最終確定，或者至少接近最終完成。

通常情況下，工程師設計電源時考慮的是最大FPGA電流。如果最終發現實際FPGA設計需要的功率更少，設計人員就會縮減電源。

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電壓軌時序控制

許多FPGA要求不同電源電壓軌以特定順序上電。內核電壓的供應往往需要早于I/O電壓的供應，否則一些FPGA會被損壞。為了避免這種情況，電源需要按正確的順序上電。使用標準DC-DC轉換器上的使能引腳，可以輕松實現簡單的上電時序控制。然而，器件關斷通常也需要時序控制。僅執行使能引腳時序控制，很難取得良好的結果。更好的解決辦法是使用具有高級集成時序控制功能的PMIC，例如 ADP5014。圖2中用紅色表示的特殊電路模塊支持調整上電和關斷時序。

圖2. ADP5014 PMIC集成了對靈活控制上電/關斷時序的支持。

圖3顯示了利用此器件實現的時序控制。通過ADP5014上的延遲(DL)引腳可以輕松調整上電和關斷時序的時間延遲。

如果使用多個單獨的電源，增加時序控制芯片便可實現所需的上電/關斷順序。一個例子是LTC2924，它既能控制DC-DC轉換器的使能引腳來打開和關閉電源，也能驅動高端N溝道MOSFET來將FPGA與某個電壓軌連接和斷開。

圖3. 多個FPGA電源電壓的啟動和關斷順序。

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電壓軌單調上升

除了電壓時序之外，啟動過程中還可能要求電壓單調上升。這意味著電壓僅線性上升，如圖4中的電壓A所示。此圖中的電壓B是電壓非單調上升的例子。在啟動過程中，當電壓上升到一定電平時負載開始拉大電流，就會發生這種情況。防止這種情況的一種辦法是延長電源的軟啟動時間，并選擇能夠快速提供大量電流的電源轉換器。