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(jìn)行詳細(xì)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(jì)高效的解決方案。

許多新型 FPGA 通常采用先進(jìn)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(kuò)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，這可能需要支持多個電源軌。對于各種情況，當(dāng)前負(fù)載可能不同。對于 UltraScale FPGA，所需的最大輸出電流可能高達(dá)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。可以針對不同制造商的產(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(biāo)。

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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(yán)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(dá)之前達(dá)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(yù)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(yù)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(yù)偏置條件。圖 3 說明了預(yù)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(yù)偏置啟動條件，以提供預(yù)偏置保護(hù)。

圖 3：兩種通用預(yù)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(yù)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(hù)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(kuò)展和相位擴(kuò)展功能，以增強(qiáng)相同部件之間的通信。

負(fù)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(fù)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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。還應(yīng)考慮不同負(fù)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(hù)功能對于許多系統(tǒng)也很重要，尤其是對于一些復(fù)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(jìn)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(dāng)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(fèi)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(biāo)的變化。即使是對一個組件的微小更改也可能導(dǎo)致在 PCB 重新設(shè)計上花費(fèi)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(kuò)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(yùn)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(hù)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(biāo)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(yù)偏置條件，ISL8274M 還通過在啟動輸出斜坡之前對輸出電壓進(jìn)行采樣來提供預(yù)偏置保護(hù)。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(yù)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(dá)之前達(dá)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(hù)功能和監(jiān)控

ISL8274M支持完整的保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)電力系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)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(xì)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(xì)信息可通過以下鏈接獲得。

圖 6：ISL8274M 的評估板圖像

動力導(dǎo)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(qiáng)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(dǎo)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(xì)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(yùn)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(xì)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