基于FPGA的系統(tǒng)正變得越來越普遍，因其具有通過代碼增加特性或者實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的靈活性，許多設(shè)計(jì)人員都鐘愛FPGA型構(gòu)架。但是設(shè)計(jì)出一款合格的電源需要面對許多挑戰(zhàn)，首先是多電源軌問題。FPGA至少需要一個(gè)電壓用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)核，一個(gè)（或者多個(gè)）電壓用于驅(qū)動(dòng)I/O觸排。然而，基于FPGA的系統(tǒng)可能會(huì)要求更多的軌，用于驅(qū)動(dòng)雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）內(nèi)存、收發(fā)器、以太網(wǎng)物理層IC（PHY）、ADC或者小型微控制器。另外，這些電壓軌需要有專門的架構(gòu)：次1.25V輸出、單調(diào)上升、排序和受控上升時(shí)間等。

　　盡管設(shè)計(jì)工程師和半導(dǎo)體制造廠商始終致力于提供集成、易用型替代方法，但在許多時(shí)候設(shè)計(jì)人員仍會(huì)利用現(xiàn)有功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)數(shù)據(jù)表電路的最佳解決方案。在這篇文章中，我們將探討幾種可用作單片F(xiàn)PGA電力供應(yīng)的市售多輸出穩(wěn)壓器，并了解如何通過一些現(xiàn)有帶隙穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)次1.25V輸出。

　　圖1顯示了一個(gè)使用單片電源供電FPGA（如Altera公司的Cyclone器件）的典型應(yīng)用簡化結(jié)構(gòu)圖。TI公司的LM2717是一款集成雙輸出開關(guān)式穩(wěn)壓器IC，可向內(nèi)核提供2A電流（3.2A峰值），1.5V電壓，向I/O提供1.5A電流（2.2A峰值），3.3V電壓。

　　圖1 1.5V內(nèi)核和3.3V I/O中等功耗FPGA的LM2717雙集成開關(guān)模式電源

　　LM2717是一款中等功耗、單片解決方案，擁有實(shí)現(xiàn)緊湊型、90%以上效率電源所需的簡易性和靈活性，可通過各種電源達(dá)到包括FPGA在內(nèi)的許多數(shù)字多軌系統(tǒng)規(guī)范要求：5V、12V或者4V到20V范圍內(nèi)的傳統(tǒng)電源適配器。LM2717擁有一個(gè)可調(diào)節(jié)輸出和一個(gè)3.3V的固定輸出（常見軌），其通過在輸出端安裝內(nèi)部輸出電壓設(shè)置電阻器幫助節(jié)省空間和提高輸出電壓精度。LM2717-ADJ是原版LM2717 IC的改進(jìn)版，其允許兩個(gè)輸出均為可調(diào)節(jié)輸出，這在需要不同I/O電壓的情況下非常有用。

　　Altera公司關(guān)于Cyclone和Cyclone II以及許多其他最新一代FPGA（例如：Xilinx Spartan 3E）的技術(shù)文獻(xiàn)表明，這些FPGA在通電期間不要求對其電壓軌進(jìn)行任何特定排序。但是，系統(tǒng)需要或者為其他FPGA供電時(shí)，單個(gè)激活引腳（SHDN1 & SHDN2）仍然會(huì)出現(xiàn)在LM2717上，目的是在某個(gè)具體時(shí)間或者以某個(gè)特定的順序開啟每個(gè)輸出。同樣，單獨(dú)的軟啟動(dòng)引腳（SS1和SS2）允許LM2717為每個(gè)輸出電壓設(shè)置不同的上升時(shí)間，以滿足單個(gè)FPGA和其他數(shù)字內(nèi)核的制造廠商規(guī)范。

　　圖2顯示了一個(gè)由LM3370（一種雙600mA每通道集成同步降壓穩(wěn)壓器）供電的低功耗1.2V、90nm FPGA（Xilinx的Spartan 3L）。

　　圖2 1.2V內(nèi)核和2.5V I/O以及VCCAUX低功耗FPGA的LM3370雙集成同步開關(guān)式電源

　　我們可以用50mV步進(jìn)（核心電源理想值）把一條通道的電壓從1V調(diào)節(jié)至2V，同時(shí)對另一條通道進(jìn)行編程用100 mV步進(jìn)（I/O電源理想值）把輸出從1.8V調(diào)節(jié)至3.3V。每個(gè)輸出都有單獨(dú)的激活引腳、內(nèi)部軟啟動(dòng)、快速瞬態(tài)響應(yīng)和上電重置標(biāo)記，使這種IC成為一種單片最少外部組件解決方案，是驅(qū)動(dòng)低功耗FPGA和其他多軌數(shù)字內(nèi)核的最佳選擇。

　　由于有預(yù)編程輸出電壓和單獨(dú)激活引腳，因此使用LM3370很方便。板上I2C兼容接口允許用戶修改IC的各種參數(shù)（即使是動(dòng)態(tài)地修改），從而獲得更高的靈活性。這些參數(shù)包括輸出電壓設(shè)置（每條通道）、輸出激活（每條通道）、開關(guān)模式選擇（自動(dòng)PWM-PFM，實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載條件下的高效率；固定PWM，實(shí)現(xiàn)固定頻率工作）、擴(kuò)展頻譜特性激活和擴(kuò)展頻譜頻率范圍選擇。

　　96%高效率LP3906擁有數(shù)字可編程靈活性

　　LP3906具有2個(gè)可編程降壓穩(wěn)壓器，用于支持內(nèi)核和其他高電流軌；2個(gè)可編程LDO，用于支持內(nèi)部處理器功能和外圍設(shè)備；另有I2C獨(dú)立控制LP3906和外圍設(shè)備。

　　圖3 LP3906結(jié)構(gòu)

　　圖4所示簡化結(jié)構(gòu)圖顯示了一個(gè)三軌、高功耗FPGA電源的實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，LM2633控制器向Xilinx Virtex5內(nèi)核提供1.0V電壓，向I/O提供3.3V，并為VCCAUX提供2.5V。LM2633是一種三輸出IC，它是如何實(shí)現(xiàn)技術(shù)舊為新用的一個(gè)完美例子，其突破了原有的應(yīng)用傳統(tǒng)。三個(gè)LM2633輸出中的兩個(gè)使用一個(gè)同步整流降壓構(gòu)架，向中高電流負(fù)載（5A到15A每條通道）提供最大效率，同時(shí)它還集成了一個(gè)LDO控制器，用于第三個(gè)低功耗輸出。開關(guān)式輸出之一有一個(gè)介于0.900到2.000之間的電壓范圍，使其成為數(shù)字器件內(nèi)核供電的完美選擇。第二個(gè)開關(guān)式輸出范圍為1.25V到6V，足以供電I/O、內(nèi)存和其他負(fù)載。為了實(shí)現(xiàn)更高的精確度和靈活性，通過一個(gè)5比特并行數(shù)字字實(shí)現(xiàn)低電壓輸出可編程性，其可以硬接線或者靠近連接某個(gè)處理器，以在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)。

　　圖4 1.0V內(nèi)核、3.3V I/O和2.5V VCCAUX高功耗FPGA的LM2633三開關(guān)式/線性控制器電源

　　對于一些僅需要一個(gè)次1.25V輸出的雙同步降壓控制器的應(yīng)用而言，LM2657提供了一種引腳數(shù)目封裝更少的優(yōu)秀替代方案。對于那些需要三個(gè)或者四個(gè)軌的更低功耗應(yīng)用，LP3906也是一種優(yōu)異的替代方案，它擁有兩個(gè)全集成1.5A同步開關(guān)式輸出和2個(gè)300mA LDO輸出，所有這些都包括在一個(gè)單封裝中。

　　如前例所示，目前大多數(shù)FPGA均要求1.50V、1.20V甚至更低的內(nèi)核電壓（如Xilinx最新的Virtex 5系列FPGA，其擁有一個(gè)1.0V 65nm內(nèi)核）。市場上的許多穩(wěn)壓器均有一個(gè)1.25V的常規(guī)帶隙基準(zhǔn)電壓。圖4和5顯示了如何利用常規(guī)帶隙IC（如LM2717）驅(qū)動(dòng)這類次帶隙數(shù)字負(fù)載的簡化結(jié)構(gòu)圖例子。電壓轉(zhuǎn)換器的基本工作原理仍然相同，但是參考電阻式分壓器對穩(wěn)壓器輸出電壓進(jìn)行編程的方式不同。

　　LP3879特性

　　l LP3879 800mA LDO擁有±1%初始輸出精度

　　l 輸入電壓：2.5V到6.0V

　　l 自定義電壓從1.0V到1.2V

　　l 關(guān)機(jī)靜態(tài)電流小于10μA

　　l 18 μV低輸出降低噪聲

　　l 可用于PSOP-8和LLP-8面貼封裝

　　在任何閉環(huán)穩(wěn)壓器電路中，將輸出電壓經(jīng)過電阻分壓器降壓調(diào)節(jié)以后，再同某個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果該基準(zhǔn)電壓為1.25V，則需要對輸出電壓的降壓后采樣（通過FB引腳注入至穩(wěn)壓器IC）進(jìn)行設(shè)置，以匹配該值，從而維持調(diào)控。在典型系統(tǒng)中，該FB分壓器放置在輸出（最高電勢）和接地（最低電勢）之間，因?yàn)镕B電壓（1.25V）維持在該范圍內(nèi)。在要求輸出電壓低于內(nèi)部基準(zhǔn)值的系統(tǒng)中，我們?nèi)匀恍枰騀B引腳提供一個(gè)匹配電壓（1.25V），但是該值不會(huì)降至VOUT（現(xiàn)在更低）和接地之間。通過在VOUT（現(xiàn)在變?yōu)樽畹碗妱莺头謮浩鞯牡投耍┖腿魏?.25V以上輔助電壓（起高電勢作用）之間放置分壓器，可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

　　圖5所示舉例使用阿爾特拉公司的Cyclone II 1.20V FPGA和國家半導(dǎo)體公司的LM2717，旨在說明這種配置的最簡單實(shí)現(xiàn)方法，其高壓為3.3V軌本身。這種軌的充分濾波和良好布局很重要（我們建議，去耦陶瓷電容器靠近電阻式分壓器低端接觸3.3V軌的地方），因?yàn)榇螏遁敵龅恼{(diào)節(jié)依賴于該軌的穩(wěn)定性。排序也很重要，因?yàn)?.3V軌需要在內(nèi)核電壓輸出開啟以前出現(xiàn)以實(shí)現(xiàn)正確的調(diào)節(jié)。

　　圖5 使用3.3V軌作為次1.25V內(nèi)核電壓生成輔助電壓的LM2717 1.2V內(nèi)核、3.3V I/O雙集成開關(guān)式FPGA電源

　　在大多數(shù)FPGA中，額定1.20V或者1.0V內(nèi)核電源電壓需要穩(wěn)定在±50 mV或者±60 mV以內(nèi)，因此所有瞬態(tài)、紋波和容差變化需保持在該限制內(nèi)。

　　圖6 一個(gè)LM4040分流基準(zhǔn)用于次1.25V內(nèi)核電壓生成的LM2717 1.2V內(nèi)核、3.3V I/O雙集成開關(guān)式FPGA電源

　　圖6顯示了一種使用獨(dú)立電源為輔助軌供電實(shí)現(xiàn)次帶隙輸出的替代方法，此處為一個(gè)小型、低成本分流基準(zhǔn)（精密齊納二極管），例如：LM4040CIM3-2.5 （0.5%）或者LM4040DIM3-2.5（1%）。這種方法讓3.3V輸出中出現(xiàn)的潛在瞬態(tài)不會(huì)交叉耦合至1.20V輸出調(diào)節(jié)。另外，它還允許3.3V軌在1.2V軌之后上電，或者在不妨礙1.2V輸出調(diào)節(jié)的情況下在任何時(shí)間關(guān)閉。這種輸出的精確度依賴于選定電壓基準(zhǔn)的線壓調(diào)節(jié)。由于在應(yīng)用中內(nèi)核電壓精度很重要，因此選擇正確的電壓基準(zhǔn)是關(guān)鍵。

　　現(xiàn)在，設(shè)計(jì)人員可以利用多種資源設(shè)計(jì)出適用于他們的應(yīng)用的最佳電源。例如，TI公司的“電源專家”（Power Expert）軟件工具通過選擇FPGA、電源和工作條件，最后給出符合設(shè)計(jì)人員重要要求的電源IC解決方案建議，說明其是否可以達(dá)到最大效率以及設(shè)計(jì)是否簡易。另外，它還連接到TI的WEBENCH設(shè)計(jì)環(huán)境，圍繞選定穩(wěn)壓器IC和電路模擬選擇組件。