賽靈思FPGA電源解決方案全解析

在當今的電子設計領域，現場可編程門陣列（FPGA）憑借其出色的設計靈活性和較低的工程成本，在眾多應用和終端市場中占據了重要地位。然而，FPGA的電源設計和管理卻是一個復雜且關鍵的環節。本文將深入探討賽靈思（Xilinx）FPGA的電源解決方案，為電子工程師們提供全面的參考。

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FPGA概述

FPGA是一種可編程設備，由通過可編程互連連接的可配置邏輯塊（CLB）陣列組成。CLB通常包含查找表、觸發器、多路復用器等各種數字邏輯組件。此外，FPGA還包括輸入/輸出引腳驅動電路（I/O）、存儲器和數字時鐘管理（DCM）電路等。現代FPGA集成了FIFO、糾錯碼（ECC）邏輯、DSP塊、PCI Express?控制器、以太網MAC塊和高速千兆收發器等功能。

FPGA應用的系統級電源架構

通信應用

大多數高性能/高功率FPGA通信應用采用插卡形式，由48V背板供電。通常使用兩級中間總線架構（IBA），第一級是降壓轉換器，將48V轉換為中間電壓（如12V或5V），插卡之間通常相互隔離，以確保安全并消除電流環路和干擾。第二級是將中間電壓轉換為多個較低的直流電壓，使用非隔離式調節器，即“負載點”（POL）調節器。

其他應用

計算、工業和汽車應用中的FPGA通常從12V至24V非隔離電源獲取電力。

POL調節器

POL是高性能調節器，其輸出電壓軌靠近各自的負載，有助于解決高性能半導體器件（如FPGA）的高瞬態電流需求和低噪聲要求。設計POL時需要考慮成本、尺寸和效率等參數，不同的終端市場對這些參數的優先級不同。例如，工業和醫療市場傾向于優先考慮尺寸，而無線應用通常更注重成本，消費應用則對三者都很關注。對于電池供電的應用，效率尤為重要，這通常決定了使用低壓降線性調節器（LDO）還是開關模式電源（SMPS）。

LDO

LDO相對易于實現，成本低，產生的噪聲非常小。但其主要缺點是效率低，效率取決于輸出電壓與輸入電壓的比值。例如，輸入電壓為3.3V、輸出電壓為1.2V的LDO效率僅為36%，功率差以熱量形式耗散。

SMPS

SMPS的效率通常超過90%，但實現起來比LDO更困難，并且與LDO相比，會傳導和輻射更多的噪聲。LDO通常用于功率要求相對較低的應用，而SMPS由于其更高的效率，適用于更高功率的應用，這對于熱管理和可靠性至關重要。更高的效率意味著更低的器件溫度，從而提高可靠性并通過減小散熱器要求來減小整體解決方案的尺寸。

典型FPGA電源要求

以賽靈思Virtex? - 7 FPGA為例，其主要電壓供應要求包括VCCINT（內部核心邏輯電壓）、VCCAUX（輔助邏輯電壓）、VCCO（I/O銀行電壓）、MGTAVCC（GTX收發器電壓）和MGTAVTT（GTX收發器終端電路電壓）等。在許多應用中，可以使用單個電源和無源濾波器為兩個或更多使用相同電壓的電源軌供電，此時電源可能需要提供20A或更多電流。

賽靈思等FPGA制造商提供功率估算電子表格，幫助設計師根據FPGA的所需功能估算電源要求。設計師應在項目早期使用這些電子表格，以選擇合適的電源和熱管理組件。

電源考慮因素

啟動順序/跟蹤

為FPGA供電通常需要三個或更多電壓軌，在這些軌之間實現上電和下電的順序控制是良好的設計實踐。這可以限制上電時的浪涌電流，即使FPGA本身不需要順序控制，設計中的其他設備（如微控制器和閃存PROM）可能有順序要求。忽略順序控制可能會導致需要順序控制的設備損壞或鎖存，從而導致故障。

順序控制有三種類型：同時跟蹤（也稱為“同步跟蹤”）、順序跟蹤和比例跟蹤。同時跟蹤是FPGA首選的順序控制方法，各軌同時以相同速率上升到最終設定點，可防止因鎖存和總線爭用導致的不可靠啟動，避免開啟可能損壞FPGA的寄生傳導路徑。大多數Maxim的POL具有可調節的軟啟動功能，可緩解浪涌電流問題。順序跟蹤易于實現，啟動浪涌電流要求低于同時跟蹤和比例跟蹤，但軌之間的最大電壓差可能導致設備行為不可靠。比例跟蹤使所有電壓軌同時達到設定點，與順序跟蹤相比，可減小軌之間的電壓差，啟動浪涌電流介于同時跟蹤和順序跟蹤之間。

單調啟動電壓斜坡

啟動時，電壓軌單調上升至設定點非常重要，即應連續上升而不下降。如果POL的輸出電容不足，可能會導致電壓下降。大多數FPGA核心電壓的關鍵區域在0.5V至0.9V之間，此時內部邏輯塊初始化為有效工作狀態。

軟啟動

大多數賽靈思FPGA規定的最小和最大啟動斜坡速率分別為0.2ms和50ms，但也有例外。電源調節器通過在啟動時逐漸增加電流限制來實現軟啟動，從而減緩電壓軌的上升速率，降低FPGA的峰值浪涌電流。Maxim的POL允許根據連接到POL引腳的軟啟動電容的值來編程軟啟動時間。

預偏置啟動

在某些情況下，當電源關閉時，FPGA電壓軌可能保持在某個電壓水平，這通常是由于FPGA中的各種寄生傳導路徑導致的。如果電源重新啟動并將預偏置輸出電壓拉低，可能會導致FPGA啟動失敗。電源的輸出電壓應與其他FPGA電壓軌按所需順序一起上升到設定點。

PCB布局

在進行PCB設計時，工程師必須考慮組件放置、信號路由和電路板層數。對于FPGA設計，強烈建議使用多層板，在每個信號路由層之間設置接地層。接地層提供的屏蔽功能允許在每一層進行信號路由，而無需考慮相鄰路由層。

電源電壓和接地平面在PCB層序（堆疊）中的放置對電源電流路徑的寄生電感有顯著影響。高優先級電壓供應層應靠近組件層（在PCB堆疊的上半部分），例如，具有高瞬態電流的電源應將其相關的電壓和接地平面靠近組件層，以減小高瞬態電流必須流過的過孔長度（寄生電感）。低優先級電源應放置在離組件層較遠的位置（在PCB堆疊的下半部分）。

去耦電容應盡可能靠近FPGA電源引腳連接，以減少電源傳導噪聲和周圍電路的輻射噪聲。對于SMPS布局，應使用短而寬的走線來最小化電源開關電流路徑中的寄生電感，將調節器的去耦電容盡可能靠近調節器的IC引腳放置，分離電源和模擬接地平面，保持調節器的柵極驅動引腳到MOSFET柵極引腳的走線短而寬，以降低柵極驅動電流所看到的阻抗，連接到內部接地平面的高電流電源組件應使用多個接地過孔來降低環路阻抗。

電源瞬態響應

FPGA由于其多個時鐘域可以在不同頻率下實現許多功能，這可能導致電流需求的較大階躍變化。“瞬態響應”指的是電源對負載電流突然變化的響應能力。調節器應在不顯著過沖或下沖其設定點的情況下響應，并且輸出電壓不應出現持續振蕩。調節器的瞬態響應取決于控制回路檢測輸出電壓（或電流，對于電流模式控制器）變化時的響應速度，以及輸出電容的值和質量。

控制回路的單位增益交叉頻率通常設計為調節器開關頻率的1/10，因此可以通過以高開關頻率（約1MHz）運行來使調節器快速響應。輸出電容應具有非常低的有效串聯電阻（ESR），并且足夠大，以最小化輸出電壓瞬態過沖和下沖的幅度。聚合物電容提供最大的電容和最低的ESR，陶瓷電容具有出色的高頻特性，但每個器件的總電容是聚合物電容的二分之一至四分之一。通常，聚合物或鉭電容用于大容量輸出電容，而相對低價值的陶瓷電容放置在FPGA輸入電源引腳處進行最終階段濾波。

同步到外部時鐘

FPGA應用通常要求電源調節器同步到一個公共時鐘。許多POL提供外部SYNC引腳，允許系統設計師將一個或多個調節器同步到一個公共系統時鐘。

多相操作

多相調節器本質上是多個調節器并聯運行，其開關頻率同步并相移360/n度，其中n表示每個相。當負載電流超過20A至30A時，多相調節器的優勢變得明顯，包括減少輸入紋波電流，從而顯著降低所需的輸入電容；由于紋波頻率的有效倍增，減少輸出紋波電壓；通過將損耗分布在更多組件上，降低組件溫度。

遠程傳感

電源輸出和FPGA電源引腳之間可能存在顯著的電壓降，特別是在負載電流高且無法將調節器電路放置得非常靠近FPGA電源引腳的應用中。遠程傳感通過使用專用的一對走線來準確測量FPGA電源引腳處的電壓，解決了這個問題。對于具有非常嚴格公差（≤3%）的電壓軌，也建議使用遠程傳感。

Maxim的賽靈思FPGA電源解決方案

Maxim提供LDO和SMPS調節器。SMPS調節器通常用于為FPGA的高功率電壓軌供電，因為它們能提供更好的系統效率和熱管理。Maxim的SMPS調節器提供完整的電源管理解決方案，滿足對性能、功率密度、質量以及精確監測和控制的數字電源管理的要求。

同步PWM控制器

同步PWM控制器用MOSFET代替外部肖特基二極管，實現同步整流，提高效率。由于開關MOSFET在控制器IC外部，同步PWM控制器可以處理高電流水平，設計師可以根據特定的電流要求選擇最合適的分立MOSFET。Maxim提供多種用于FPGA的同步PWM控制器，如MAX15026（單控制器）、MAX15023（雙控制器）和MAX15048/MAX15049（三控制器），它們的輸入電壓最高可達28V，適用于5V和12V輸入的FPGA應用。Maxim還提供更高電壓（最高40V）的控制器，如MAX15046，用于工業和汽車應用。大多數Maxim的雙（或更高）控制器還具有內置的順序和跟蹤功能，允許設計師使用多軌IC而無需外部順序器。

PWM調節器

Maxim的PWM調節器可提供1A至200A的輸出電流，輸入電壓范圍為2.5V至28V。所有調節器都將開關MOSFET與PWM控制器集成在一起，例如MAX15053、MAX15041和MAX8686。MAX15021和MAX17017是支持雙軌和四軌電源的多軌調節器。許多這些IC具有流行的固定輸出電壓選項，并具有完全內部補償。

一些部件支持數字編程、可選數字控制和監測功能，允許對所有定時事件（如順序和跟蹤）進行微秒級分辨率的編程。這些極其靈活的監測功能允許智能設置警告和故障閾值，還可以獨立設置每個調節器的故障處理場景。以0.2%的精度精細控制輸出電壓將確保滿足高端FPGA的嚴格公差要求。數字可編程性和監測功能使通過遠程連接進行現場更新成為可能，有助于避免昂貴的現場維修。此外，還可以記錄事件，以便研究故障并確定根本原因。

POL數字系統控制和監測

通信和計算應用中的機架式基礎設施設備需要復雜的電源管理來開啟/關閉電源和風扇。一些為這些市場制造設備的客戶使用電源管理總線（PMBus?）協議。PMBus是一種開放標準的電源管理協議，具有完全定義的命令語言，便于與電源轉換器和電源系統中的其他設備進行通信。

Maxim提供多種PMBus監測器和系統控制器。例如，MAX34440/MAX34441/MAX34446是復雜的系統PMBus監測器，它們監測電源輸出電壓，并不斷檢查用戶可編程的過壓和欠壓閾值。MAX34440可以管理多達六個電源，MAX34441可以監測多達五個電源，并包含一個閉環風扇速度控制器。MAX34440和MAX34441都可以將電源輸出電壓向上或向下調整到用戶可編程的水平，調整是在閉環配置中進行的，設備會自動調整脈寬調制（PWM）輸出，然后測量結果輸出電壓。電源管理器還可以在上電和下電時按任何順序對電源進行排序。通過添加外部電流感測放大器（CSA），這些設備可以監測電流。

MAX34446電源數據記錄器監測電壓的過壓和欠壓，以及過流和過溫條件。設備不斷檢查用戶可編程的閾值，當這些閾值被超過時，設備將最近的實時操作條件記錄在非易失性閃存中。該設備可以監測多達四個電壓或電流，并可以監測三個溫度傳感器。

MAX8688是一個完全集成的數字電源控制器和監測器，可與任何現有的POL配合使用，提供完整的數字可編程性。通過連接到參考輸入、反饋節點和輸出使能，MAX8688控制POL，提供跟蹤、順序、調整和動態調整輸出電壓等功能。

數字電源控制IC

傳統上，電源公司主要關注LDO和SMPS調節器。然而，在使用系統級電源管理的復雜基礎設施設備中，更先進的數字控制回路有望實現獨立于輸出電壓的自動補償，從而簡化設計并實現動態電源管理。與使用模擬控制回路的典型電源調節器不同，數字電源控制IC（DPC）使用數字電路來實現電源的控制回路。需要先進系統電源管理的客戶可以從總成本優勢中受益。與之前審查的模擬電源調節器一樣，這些DPC也集成了片上數字電源管理功能，通過PMBus接口與系統控制器通信，通過圖形用戶界面（GUI）方便電源設計。

數字控制回路IC具有以下優點：

• 縮短上市時間：復雜的DPC可以通過自動補償控制回路，無論輸出電壓如何，都能減少設計時間。對于已經從具有模擬控制的內部補償POL中受益的客戶來說，數字控制將易用性提升到了一個新的水平。
• 降低成本：DPC減少了組件的數量和尺寸，輸出電容可以減少多達50%，通過使用更少的組件提高了可靠性。
• 提高性能和可靠性：對輸出電流瞬變的響應得到最佳控制，從而降低輸出電壓瞬變。控制算法通過適應電壓、電流和溫度變化來提高效率。
• 增強靈活性：DPC簡化了系統電源管理，系統電源通過PMBus進行控制，并且可以輕松添加或移除額外的電源，以適應未來的系統設計。

InTune?數字電源

Maxim的InTune數字控制電源產品使實現高性能、DC - DC電源設計變得容易，這些設計需要更少的濾波電容并具有更高的效率。InTune數字電源技術基于“狀態空間”或“模型預測”控制，而不是競爭對手使用的比例 - 積分 - 微分（PID）控制，因此具有更快的瞬態響應。與競爭的PID控制器不同，InTune架構使用反饋模數轉換器（ADC）對整個輸出電壓范圍進行數字化，從而消除了競爭控制器中使用的“窗口化”ADC帶來的折衷。其自動補償例程基于測量參數，在廣泛的操作條件下提供更好的準確性和效率。

Maxim的參考設計

Maxim為賽靈思FPGA和CPLD構建了多個參考設計，涵蓋了從高端Virtex系列FPGA到低功耗CoolRunner - II CPLD的各種應用。

GTX和GTP電源模塊

Maxim有10Gbps GTX和3.125Gbps GTP電源模塊，為賽靈思ML623和SP623收發器表征套件供電。這些電源模塊基于MAX8686，從12V輸入（±10%）供電，為Virtex - 6 GTX和Spartan - 6 GTP收發器的MGTAVTT和MGTAVCC軌供電。由于GTP和GTX收發器以高線速率運行，劣質的開關電源可能會對數據眼圖產生噪聲影響。Maxim的電源模塊具有非常低的噪聲特性，與競爭解決方案相比，具有出色的軟啟動和輸出電壓紋波性能。

Virtex - 6 LX130T PCI Express套件

Maxim與安富利（Avnet）和賽靈思合作，為Virtex - 6 FPGA PCI Express?開發板開發了電源設計。使用了MAX17017（具有三個開關降壓調節器和一個LDO的多軌電源調節器）和MAX8792（單軌POL）為Virtex - 6 LX130T FPGA供電。

為Spartan - 6 FPGAs供電

Maxim的PMIC調節器為Spartan - 6 LX150T和Spartan - 6 LX16 FPGA的所有電源軌供電，提供了相應的電源設計框圖。

CoolRunner - II CPLD電源

CoolRunner - II CPLD常用于工業和汽車應用，這些應用通常從24V標稱軌供電，需要低靜態電流和輕載效率。Maxim的電源調節器為CoolRunner - II CPLD板供電，該板還配備了Maxim的1 - Wire安全EEPROM，用于IP安全。

總結

設計FPGA電源的第一步是確定系統級要求，如電源軌電壓和電流。FPGA功率估算器有助于計算這些電壓和電流。在此基礎上，設計師應考慮高級系統級功能，如PMBus控制、順序控制和軟啟動。Maxim提供了多種電源解決方案，從簡單的電源調節器到具有參考設計的高級系統級電源管理IC，以滿足FPGA應用設計師的需求。

你在設計FPGA電源時，遇到過哪些挑戰呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。