產(chǎn)生FPGA所需低電壓電路設(shè)計(jì)

　　對(duì)于基于FPGA的電路板而言，需要四至五個(gè)不同的低壓電源對(duì)不同元件供電在現(xiàn)已經(jīng)非常普遍。從最開始的3.3V，然后逐步降至2.5V、1.8V、1.5V，現(xiàn)在的低壓僅為1.2V。每個(gè)新一代FPGA似乎都需要一個(gè)新的低電源電壓。除此之外，新的通信和內(nèi)存技術(shù)還需要額外的新I/O電源電壓和終端電壓。現(xiàn)在，基于FPGA的電路板經(jīng)常需要四至五個(gè)不同的低電壓來為不同的元件供電。

　　同時(shí)，CMOS門數(shù)的增加和時(shí)鐘速度的提高導(dǎo)致了功率要求的提高。例如，Altera公司在其FPGA的Stratix/Stratix GX產(chǎn)品系統(tǒng)中提供了14個(gè)不同產(chǎn)品。在所需的功率方面，100 MHz下最小的FPGA時(shí)鐘所需的核心邏輯的峰值功率小于1.5 W，然而當(dāng)時(shí)鐘速度為300 MHz時(shí)，最大的FPGA時(shí)鐘所需的核心邏輯的峰值功率卻將近21W。這些趨勢(shì)使電路板設(shè)計(jì)者不得不使用更多而且性能更好的電源。值得慶幸的是，最新一代的低壓電源管理IC完全能夠滿足這些高性能電路板提出的要求。

　　實(shí)際應(yīng)用的電路

　　圖 1顯示了用于從+5V輸入產(chǎn)生四個(gè)電源電壓的單芯片解決方案。ISL6521(＄1.5625)同步降壓調(diào)節(jié)器包括三個(gè)線性調(diào)節(jié)器/控制器，它可以給電路板提供額外的電壓。120mA以下的I/O和IAUX電流可以直接從線性調(diào)節(jié)器輸出管腳（如圖所示的2.5V和1.8V）提供。另外，它們還可以用來控制外部晶體管。所有輸出電壓都可以使用電阻分壓器進(jìn)行全面調(diào)整。

　　ISL6521(＄1.5625)在接通輸入電源時(shí)會(huì)自動(dòng)初始化。通電重設(shè)（POR）功能會(huì)繼續(xù)監(jiān)視VCC管腳處的輸入偏置電源，POR功能會(huì)在偏置電源電壓超過其POR閾值時(shí)初始化軟啟動(dòng)操作。所有電壓都會(huì)在不超過40ms單調(diào)降低，這通常是FPGA的要求。電流IC和模塊技術(shù)可以在單個(gè)IC上的每個(gè)輸出之間或者在單個(gè)封裝內(nèi)獲得非常好的隔離。板級(jí)電源耦合很可能是因?yàn)橥獠吭倪x擇不佳和布局錯(cuò)誤，而不在于兩個(gè)電源共享一個(gè)IC。本示例假設(shè)有一個(gè)+5V的電源，所選的FPGA需要在電流為2A時(shí)核心電壓為1.2V。根據(jù)幾個(gè)基本降壓轉(zhuǎn)換器原則來選擇開關(guān)元件以支持 FPGA核心啟動(dòng)。首先，產(chǎn)生想要的輸出電壓所需的工作周期取決于最大開關(guān)調(diào)節(jié)器IC。降壓轉(zhuǎn)換器的工作周期（d）定義為：d=VOUT/VIN （1）

　　針對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)示例，得到的工作周期是24%。 ISL6521(＄1.5625)支持工作周期在0%至100%范圍內(nèi)的操作，但是輸出電壓范圍限制在0.8V至4.5V之間。不是所有控制器都支持整個(gè)工作周期范圍，當(dāng)處理電壓為輸出電壓范圍的兩極端值時(shí)的負(fù)載瞬態(tài)時(shí)，這個(gè)問題就出現(xiàn)了。FPGA 核心電壓對(duì)準(zhǔn)確性的要求視產(chǎn)品系列和提供商而不同。本示例假設(shè)FPGA核心電壓的所需準(zhǔn)確度為+5%或者電壓為60mV，這也是標(biāo)準(zhǔn)情況。該電壓應(yīng)與控制器的輸出電壓調(diào)節(jié)（2%或者24mV）進(jìn)行比較。如果控制器IC的輸出電壓調(diào)節(jié)大于FPGA的核心電壓所需的準(zhǔn)確度，則該控制器無法滿足FPGA要求。FPGA所需的準(zhǔn)確度和PWM的輸出電壓調(diào)節(jié)之差使得輸出電壓窗口能夠支持開關(guān)電源的輸出電壓脈動(dòng)和允許的瞬態(tài)偏差。

　　這個(gè)示例中，電壓窗口為36mV。接下來選擇峰到峰輸出電壓脈動(dòng)，選定一個(gè)合理的值10mV。輸出電壓脈動(dòng)必須落在所計(jì)算出的電壓窗口內(nèi)，或者需要一個(gè)調(diào)節(jié)容差較小的控制器。選擇較大的輸出電感器或較低的等效串聯(lián)電阻（ESR）輸出電容器可以減小輸出電壓脈動(dòng)。