現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）在終端市場受到廣泛關(guān)注和廣泛應(yīng)用。本文檔概述了對 FPGA 電源的要求和相關(guān)問題。還將討論瑞薩最新的數(shù)字電源模塊，可作為FPGA應(yīng)用的電源解決方案，并以ISL8274M為例進行詳細介紹。

介紹

FPGA 因其許多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，包括開發(fā)時間短、開發(fā)過程中以及現(xiàn)場重新配置或更新時的靈活性。FPGA 也是經(jīng)濟高效的解決方案。

許多新型 FPGA 通常采用先進技術(shù)設(shè)計，以實現(xiàn)低功耗同時提供高性能。這些 FPGA 使用新的制造工藝，往往需要較低的內(nèi)核電壓，從而擴展了其電源所需的電壓范圍，具有更高的供電電流能力。許多 FPGA 還具有不同的電源要求。即使對于相同的 FPGA，每個電源軌也可能有不同的輸出要求，這取決于每個電源軌的電壓和功率需求、電源軌的排序要求和噪聲靈敏度等因素。功率器件能夠在更寬的范圍內(nèi)提供多個電壓電平，并為高功率模塊提供更高的電流支持能力，非常適合那些具有不同功率要求的應(yīng)用。

電源模塊包括控制器、FET、電感器和大部分無源器件，封裝在單個封裝中，只留下輸入和輸出大容量電容器以完成系統(tǒng)設(shè)計。數(shù)字電源模塊結(jié)合了電源模塊和數(shù)字電源的優(yōu)點。通過使用數(shù)字電源模塊，設(shè)計人員可以縮短開發(fā)時間并快速更新模擬解決方案無法提供的電源監(jiān)控和排序控制功能。受益于提高的電壓調(diào)節(jié)精度和先進的數(shù)字控制技術(shù)，數(shù)字電源模塊在 FPGA 應(yīng)用中變得更具競爭力。

本文檔將討論 FPGA 的一般電源要求，并介紹瑞薩的 Intersil ISL8274M，解釋其主要特性如何滿足對 FPGA 的供電要求。

FPGA 電源要求

FPGA 電源通常用于傳輸輸入電壓，該電壓通常來自由開關(guān)模式電源 (SMPS) 提供的直流總線，典型范圍為 5V 至 12V，低至 FPGA 子塊和輔助模塊所需的電壓。電路。圖 1 顯示了 FPGA 電源系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。

圖 1：FPGA 電源系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。

FPGA 中有各種模塊。這些模塊可能包括內(nèi)核、具有不同電壓標準的 I/O 端口以及包含內(nèi)部電路（例如偏置電路、鎖相環(huán)電路和收發(fā)器）的輔助電路。該模塊還具有外部 DDR 存儲器。下面是對每個部件的電源電壓及其特定電源要求的描述。

核心電壓

內(nèi)核電壓為可配置邏輯塊的內(nèi)部內(nèi)核供電，往往需要較低的電源電壓，特別是對于低功耗要求的高性能FPGA。邏輯核一般對電流要求最苛刻，最高可達幾十安培。

輸入輸出電壓

I/O 電壓為 I/O bank 供電。其電壓電平取決于應(yīng)用于 FPGA 的特定 I/O 標準，通常在 1.2V 至 3.3V 的范圍內(nèi)。為了滿足部件的工作條件并優(yōu)化電源性能，F(xiàn)PGA 可能會為每個 I/O 端口采用不同的 I/O 標準，這可能需要支持多個電源軌。對于各種情況，當前負載可能不同。對于 UltraScale FPGA，所需的最大輸出電流可能高達數(shù)十安培。

輔助電壓

輔助電壓為 FPGA 中的輔助電路以及系統(tǒng)中的一些相關(guān)外部模塊（如果需要）提供?？梢葬槍Σ煌圃焐痰漠a(chǎn)品使用不同的電壓電平來完成。這種電源一般需要比較低的電流。但對于一些對噪聲敏感的部件，例如時鐘/存儲器電路，它們對輸出變化的電壓要求更為苛刻。

表 1：推薦的一些高性能 FPGA 及其電壓條件

表1列出了市場上流行的高性能FPGA產(chǎn)品的具體電壓要求。FPGA 制造商通常建議為 FPGA 提供額定電壓在 ±5% 或 ±3% 范圍內(nèi)的電壓。一些敏感部件，例如 PLL，可能需要更低的電壓，大約 2%，如表 1 所示。所采用的 FPGA 的特定電壓調(diào)節(jié)要求應(yīng)作為電源設(shè)計階段的目標。

即使電壓的微小變化也會引起靜態(tài)和動態(tài)功率的合理變化。因此，具有小容差和良好輸出電壓設(shè)定點分辨率的精確電壓控制非常重要。 ?

能量消耗

實際系統(tǒng)的功耗可能會有很大差異。由于 FPGA 固有的靈活性，類似應(yīng)用中的用戶最終可能會根據(jù)其設(shè)計中使用的性能水平和特定 FPGA 功能的特定組合而獲得不同的功耗。

FPGA 制造商提供的功耗估算軟件可用于估算 FPGA 中的功耗并了解功耗在哪里。在電源設(shè)計方面，它讓設(shè)計人員在產(chǎn)品開發(fā)階段對FPGA電源所需的功率水平有所了解，并使設(shè)計人員能夠?qū)Ｗ⒂诠β屎蜔醿?yōu)化。通常，內(nèi)核和 I/O 消耗的靜態(tài)和動態(tài)功耗會導致 FPGA 中的功耗最大。在執(zhí)行電源設(shè)計時，還應(yīng)考慮最壞瞬態(tài)和上電過程中的最大電流。

啟動電壓斜坡

對于 FPGA 電源而言，重要的是具有可調(diào)軟啟動功能和單調(diào)輸出電壓斜坡，以幫助防止啟動和可能的其他功能期間過大的浪涌電流。大多數(shù) FPGA 對電壓軌的電壓上升時間有要求。較慢的上升時間可能會導致設(shè)備配置失敗和錯誤操作。因此，具有可調(diào)軟啟動的電源在 FPGA 電源應(yīng)用中是首選。ISL8274M 數(shù)字電源模塊提供先進的軟啟動功能，使設(shè)計人員無需更改任何物理組件即可輕松配置各種軟啟動時間。

跟蹤/上電序列

許多高性能系統(tǒng)對電源電壓的開啟順序提出了嚴格的要求。在為 FPGA 供電時尤其如此。在大多數(shù)情況下，I/O 接口的工作電壓高于內(nèi)核，因此，內(nèi)核電源電壓不得超過制造商規(guī)定的 I/O 電源電壓。在這種情況下，電壓跟蹤功能有望確保安全上電。圖 2 說明了 ISL8274M 提供的兩種典型跟蹤模式：重合和比率。

圖 2：ISL8274M 提供的兩種典型電壓跟蹤模式。

在某些情況下，重要的是讓一個電源在另一個電源到達之前達到其工作電壓以避免閂鎖。這需要不同軌的電源調(diào)節(jié)器按預定順序上電。因此，在為 FPGA 等高級處理器供電時，具有可編程啟動序列的電源調(diào)節(jié)器將特別有用。大多數(shù)制造商在其產(chǎn)品文檔中推薦了特定的上電順序，可作為電源設(shè)計的參考。

預偏置啟動

如果在電源的控制 IC 啟用之前外部施加的電壓存在于電源的輸出上，則存在輸出預偏置條件。圖 3 說明了預偏置啟動的兩種一般情況，即上電前偏置電壓高于或低于參考電壓。這些情況也可能發(fā)生在 FPGA 應(yīng)用中。如果 FPGA 要求安全啟動，并且電源穩(wěn)壓器在啟動時不允許灌電流，則電源穩(wěn)壓器應(yīng)考慮預偏置啟動條件，以提供預偏置保護。

圖 3：兩種通用預偏置啟動條件

多通道/交織

如前所述，需要多個電源來為不同的 FPGA 部件供電。因此，具有可調(diào)電壓電平的多通道電源調(diào)節(jié)器將是理想的。這將允許設(shè)計人員使用一個設(shè)備來支持多個軌道，從而減少系統(tǒng)尺寸和所需的設(shè)計/布局工作。

隨著所需的電源電壓越來越低，電源的預期電流供應(yīng)能力可能會很高。對于某些高電流條件，多相操作將是首選。相位之間的交錯連接有助于將功率和熱應(yīng)力分布到單獨的相位中，并減少輸入/輸出電流紋波。ISL8274M 有兩個通道，可以設(shè)置不同的電壓電平，并配置為兩個單獨的通道或兩相條件，具有可調(diào)交錯設(shè)置，以支持具有高額定電流和分布式熱耗散的同一軌。

同步/通訊總線

對于 FPGA 應(yīng)用，通常需要電源調(diào)節(jié)器與公共時鐘同步。電力調(diào)節(jié)器之間的通信有望在彼此之間廣播故障信息；那么故障保護就可以在系統(tǒng)層面得到很好的管理。許多電源調(diào)節(jié)器都有一個 SYNC 引腳，以允許與公共時鐘同步或?qū)⒁粋€部分同步到另一部分。ISL8274M 允許通過數(shù)字直流 (DDC) 總線實現(xiàn)故障擴展和相位擴展功能，以增強相同部件之間的通信。

負載點 (POL) 解決方案

為了為 FPGA 硬件系統(tǒng)供電，電源軌有許多負載點穩(wěn)壓器選項，包括 LDO、分立穩(wěn)壓器和電源模塊解決方案。

由于 FPGA 電源要求通常是較低的輸出電壓和較高的輸出電流，理想的 POL 解決方案應(yīng)支持寬范圍的輸出電壓，并具有出色的負載瞬態(tài)響應(yīng)。還應(yīng)考慮不同負載條件下的效率、成本、尺寸、封裝和熱性能等性能特征，以便根據(jù) FPGA 應(yīng)用的明確要求做出正確的選擇。由于某些系統(tǒng)在完成初始設(shè)計后可能需要更新或更改，因此具有可調(diào)節(jié)輸出配置和兼容性設(shè)置以添加更多電源軌的 POL 解決方案將是有利的。系統(tǒng)監(jiān)控和故障保護功能對于許多系統(tǒng)也很重要，尤其是對于一些復雜和高性能的應(yīng)用程序。

要實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的最佳性能，需要考慮很多方面；不幸的是，其中一些會與其他人進行設(shè)計權(quán)衡。這要求設(shè)計人員在設(shè)計周期內(nèi)在驗證和測試上付出相當大的努力，以實現(xiàn)整體最佳點。理想情況下，您希望最大限度地減少在電源上花費的時間，而是將注意力集中在開發(fā) FPGA 上的應(yīng)用程序上。此外，分析/設(shè)計中可能涉及許多變量，其中可能包括組件的容差或降額、操作環(huán)境的變化或設(shè)計目標的變化。即使是對一個組件的微小更改也可能導致在 PCB 重新設(shè)計上花費額外的時間。因此，如果電源解決方案可以用更少的組件來實現(xiàn)，它將提供更好的可靠性和減少的 BOM，這有利于 FPGA 等高性能系統(tǒng)。所有這些方面都使電源模塊成為此應(yīng)用的理想選擇。

瑞薩數(shù)字電源模塊

作為領(lǐng)先的電源 IC 供應(yīng)商，瑞薩擁有適用于 FPGA 電源應(yīng)用的模擬和數(shù)字電源模塊。數(shù)字電源管理提供許多優(yōu)勢，例如實時監(jiān)控、具有快速瞬態(tài)響應(yīng)的數(shù)字控制、減少 BOM 和減少設(shè)計工作量。數(shù)字電源模塊解決方案非常靈活，可以輕松適應(yīng)更低電壓、更高電流和額外電源軌等不斷變化的 FPGA 電源需求。新的電壓軌可以通過 PMBus? 輕松添加到電源管理系統(tǒng)。Digital-DC 通信總線用于提供設(shè)備之間的通信通道，實現(xiàn)設(shè)備之間的無故障通信，同時為排序和故障擴散等功能提供好處。如今，

ISL8274M 是通用降壓數(shù)字電源模塊，具有 PMBus 通信和許多其他滿足 FPGA 電源要求的特性。它有兩個通道，可以作為不同 FPGA 部件的兩個獨立電源軌運行，也可以輕松并聯(lián)以支持具有高電流能力要求的相同電源軌。此外，ISL8274M 具有內(nèi)部數(shù)字-DC 串行總線，可實現(xiàn)其他瑞薩 IC 之間的通信，從而可以輕松配置和實現(xiàn)上電序列、故障保護和監(jiān)控等功能。其一般應(yīng)用電路如圖4所示。

圖 4：ISL8274M 的一般應(yīng)用電路



表 2：瑞薩 ISL8274M 數(shù)字電源模塊的主要特性

數(shù)字 ChargeMode? 控制方案

ISL8274M 使用瑞薩電子獲得專利的 ChargeMode? 控制方案，該方案能夠在以固定開關(guān)頻率加載瞬態(tài)時實現(xiàn)快速響應(yīng)，并支持全陶瓷輸出電容設(shè)計。使用多速率采樣技術(shù)和數(shù)字濾波器減少了誤差采樣時刻和 PWM 生成時刻之間的延遲。這也是一種簡單的補償控制方案，無需額外的無源 RC 元件即可實現(xiàn)模擬模塊所需的補償回路設(shè)計。對于任何系統(tǒng)內(nèi)更改，可以通過 PMBus 命令或 PIN-strap 設(shè)置輕松重新配置新的補償。為方便用戶，制造商提供了參考設(shè)計。

帶可調(diào)斜坡時間的軟啟動

可能需要設(shè)置從接收到使能信號到輸出電壓斜升至其目標值的延遲時間。ISL8274M 通過 PowerNavigator? 為客戶提供了一個簡單的過程，以精確且獨立地重置延遲和斜坡時間段。如果啟動前輸出級存在預偏置條件，ISL8274M 還通過在啟動輸出斜坡之前對輸出電壓進行采樣來提供預偏置保護。圖5為軟啟動過程，啟動上升時間為5ms。

圖 5：ISL8274M 啟動性能

電源排序/電壓跟蹤

一組用于不同軌道或多相操作的電源模塊可以配置為按預定順序上電。此功能在為高級處理器（例如 FPGA）供電時特別有用，這些處理器需要一個電源在另一個電源到達之前達到其工作電壓以避免閂鎖。使用 ISL8274M，通過發(fā)出 PMBus 命令來分配排序鏈中的前一個設(shè)備以及遵循該序列的設(shè)備，從而配置多設(shè)備排序。

ISL8274M 集成了電壓跟蹤方案，允許其輸出之一（通道 1 或通道 2）跟蹤施加到 VTRKP 和 VTRKN 引腳的電壓，在基于特定應(yīng)用的兩種可選模式中無需外部組件.

多種保護功能和監(jiān)控

ISL8274M支持完整的保護功能列表，包括電源輸入UV/OV、驅(qū)動電壓UV/OV、兩級輸出電流UC/OC（平均值和峰值）、輸出電壓UV/OV和溫度UT/OT . 每個保護都有故障限制和衰減限制。用戶可以通過 PMBus 命令輕松設(shè)置相應(yīng)的故障限值?？蛻暨€可以選擇不同的故障響應(yīng)模式選項，包括打嗝模式。此外，用戶可以通過 PMBus 命令配置響應(yīng)功能。ISL8274M 能夠使用 PMBus 命令監(jiān)控各種系統(tǒng)參數(shù)。

最完善的保護功能和監(jiān)控項由瑞薩的Intersil ISL8274M提供。這些功能以更安全、更穩(wěn)健的方式保護電力系統(tǒng)運行，并在系統(tǒng)設(shè)計方面為設(shè)計人員提供更高的靈活性。

數(shù)字直流通信總線

ISL8274M 結(jié)合了數(shù)字直流通信 (DDC) 總線，用于在瑞薩電子的數(shù)字電源模塊和數(shù)字控制器之間進行通信。DDC 總線為設(shè)備之間的功能提供通信通道，例如排序、交錯和故障傳播。

瑞薩電子的設(shè)計工具

評估板/用戶指南

為 ISL8274M 提供評估板和詳細的用戶測試和評估用戶指南。評估板的照片如圖 6 所示。更多詳細信息可通過以下鏈接獲得。

圖 6：ISL8274M 的評估板圖像

動力導航?

瑞薩電子提供的 PowerNavigator GUI 軟件將有助于加速電源設(shè)計的設(shè)計、測試、定型和調(diào)試。通過PMBus連接開發(fā)板，設(shè)置各種可調(diào)的系統(tǒng)參數(shù)和閾值。最終配置被簡單地存儲到非易失性存儲器中。圖 7 顯示了 PowerNavigator GUI 軟件窗口的示例。

圖 7：PowerNavigator 窗口的屏幕截圖

強力羅盤?

PowerCompass 工具可幫助用戶快速識別符合其特定要求的部件、設(shè)置多個導軌、執(zhí)行高級系統(tǒng)分析并生成自定義參考設(shè)計文件。該工具僅作為 Web 應(yīng)用程序提供，用戶也可以通過該應(yīng)用程序離線工作。在線提供詳細說明和視頻教程，可以幫助用戶輕松入門。

圖 8：PowerCompass 頁面的屏幕截圖

iSim 設(shè)計和仿真工具

瑞薩電子提供了一種名為 iSim 的基于網(wǎng)絡(luò)的電源仿真工具，它是一種易于使用的交互式電源管理和運算放大器設(shè)計工具。iSim 允許用戶快速選擇支持組件并設(shè)計和仿真他們的電路和系統(tǒng)。在線提供詳細說明和視頻教程，可以幫助您輕松入門。

圖 9：iSim 頁面的屏幕截圖

審核編輯：劉清