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电子技术解密:简化FPGA电源设计方案
来源:互联网 作者:秩名 2014/5/19 11:11:00 人气:297
内容导读:
FPGA即现场可编程门阵列,它是一种多电源需求的芯片,在电子技术设计中常见电子芯片,那么在对其供电的时候肯定对电源设计的要求也是严格的,多电源设计是复杂的,我们要FPGA高效运行需要简化电源设计,节约成本,下面即是具体的电源设计方法。

  FPGA即现场可编程门阵列,它是一种多电源需求的芯片,在电子技术设计中常见电子芯片,那么在对其供电的时候肯定对电源设计的要求也是严格的,多电源设计是复杂的,我们要FPGA高效运行需要简化电源设计,节约成本,下面即是具体的电源设计方法。

  FPGA是一种多电源需求的芯片,主要有3种电源需求:

  1.Vccint核心工作电压

  一般电压都很低,目前常用的FPGA都在1.2V左右。为FPGA的内部各种逻辑供电,电流从几百毫安到几安不等,具体取决于内部逻辑的工作时钟速率以及所占用的逻辑资源。对于这个电源来说,负载时一个高度容性阻抗,对电源的瞬态响应要求很高,而且由于驱动电压低工作电流大,对PCB的布线电阻非常敏感,需要特别注意走线宽度,尽可能减少布线电阻带来的损耗。

  2.VccoI/O驱动电源

  FPGA经常要与多种不同电平接口的芯片通信,所以通常都会支持非常多的电平标准。Vcco就是为FPGA的I/O驱动逻辑供电。不同的电平标准需要不同的I/O电压来对应,具体可以参见FPGA的相关芯片手册,比如XilinxSpartan6系列,就应该查询Xilinx官方文档,编号ds162.pdf,在page7table7RecommendedOperatingConditionsforUserI/OsUsingSingle-EndedStandards有详细说明。另外FPGA为了同时能和多种不同的电平标准接口芯片通信,Vcco通常以BANK为界,互相之间相互独立,也就是说在一颗FPGA芯片上同时存在几种不同的I/O电压。当然同一个BANK只能存在1种I/O电压。

  3.Vccaux辅助电源

  FPGA并不是一个单纯的数字逻辑芯片,内部也带有一些模拟组件,比如Xilinx的DCM数字时钟管理组件,这些模拟类的组件对电源的电源抑制比(PSRR)也就是电源噪声,或者说电源纹波非常敏感,所以通常会用一个独立的供电电源。这个电源的电流需求一般都不大,但对电源的噪声容忍度很低。所以应该尽可能的提高其电源纯净度。比如不直接用开关电源供电,先使用LDO稳压后再供给Vccaux。另外Vccaux还给部分的I/O供电,比如功能选择引脚,JTAG等,具体还得参考芯片手册的电源相关说明。

  既然有这么多电源需求,那么电源设计的时候就不得不考虑电源设计方面的一些问题了。

  为FPGA供电时需要考虑若干电源设计方面的问题:

  1.增加了输出电压轨数量

  2.需要为电轨设置设定点精度

  3.需要优化设计中的无源板面布局才能实现极低的纹波噪声

  4.需要AC瞬态响应,以及补偿环路

  另外,不要忘了还有排序以及更多所需功能。

  图1显示了FPGA开发套件中典型的FPGA电源解决方案。设计该方案除了要选择正确的器件和电感器外,还需要具备一些其它的专业知识。例如,需要考虑部件放置和板面布局方面的细节。

  

  图1.典型的FPGA电源解决方案

  那么,如何才能简化电源设计呢?

  幸运的是,有多种解决方案都有助于实现简化。重点介绍两种能够帮助您快速便捷地实现设计目标的创新技术。

  简化电源设计方法一:

  需要着重介绍的技术是用于创建FPGA电源解决方案的WEBENCHFPGAArchitect设计工具(原理设计加仿真结果)

  WEBENCHFPGAArchitect设计工具可帮助您:

  选择您想要的FPGA厂商,选择您将使用的FPGA产品系列,满足由FPGA厂商提供的FPGA电源估计器工具定义的电源需求。

  执行这几个简单步骤就可成就FPGA电源解决方案,并在产品尺寸、效率和成本方面全方位实现优化。这种易用型工具能帮助您克服初始障碍,将设计时间从几天缩短至几分钟,从而赢得领先优势。

  简化电源设计方法二:

  是集成型电感器电源模块,它可以切实简化设计方案。

  电源模块主要在单个IC封装中集成电感器,但也可集成其它外部组件,如FET、补偿环路(若需要)以及反馈电阻器等。电源模块的功能特性非常丰富,例如可将启用和电源指示良好引脚用于排序,而且仅需最少的外部组件,如输入电容器、输出电容器、可能还需要一个反馈电阻器。该模块有助于将图1的电源解决方案简化为图2的方案。可将集成型电感器电源模块用于为FPGA供电,并被FPGA厂商视为一种适合的电源解决方案。此外,这些模块还有助于简化板面布局,帮助您以前所未有的速度完成设计。

  

  图2.采用LMZ30602的集成型电感器电源模块

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