使用數(shù)字電源模塊為 FPGA 供電

為 FPGA 提供負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源的電壓輸入軌的激增使電源設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。因此，封裝電源模塊在電信、云計(jì)算和工業(yè)設(shè)備中的使用越來越多，因?yàn)樗鼈冏鳛楠?dú)立的電源管理系統(tǒng)運(yùn)行。它們比分立式解決方案更易于使用，并且對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的和新手電源設(shè)計(jì)人員來說都可以加快上市時(shí)間。模塊包括所有主要組件——PWM 控制器、FET、電感器和補(bǔ)償電路——只有創(chuàng)建整個(gè)電源所需的輸入電容器和輸出電容器。 

本文討論 FPGA 參考設(shè)計(jì)生成器，并引導(dǎo)您完成為 POL 選擇 FPGA、所需的電源軌、背板和數(shù)字電源模塊的步驟。我們將重點(diǎn)介紹用于配置、驗(yàn)證和監(jiān)控 FPGA 電源架構(gòu)的圖形用戶界面 (GUI)，我們將解釋 GUI 的排序功能，以便為電壓軌加電，并選擇電源順序和上升和下降時(shí)間。

電源軟件工具

FPGA 制造商提供各種工具，幫助在電源規(guī)劃階段估算電源需求。這些工具考慮了設(shè)備選擇、架構(gòu)評(píng)估和熱建模，以得出估計(jì)的解決方案。例如，電源設(shè)計(jì)人員可以在預(yù)設(shè)計(jì)和預(yù)實(shí)現(xiàn)階段使用Xilinx Power Estimator (XPE) 工具。然后，電源管理供應(yīng)商從 XPE 中獲取結(jié)果，并使用該信息為電源組件選擇提供必要的指導(dǎo)。

由于可編程 FPGA 在規(guī)劃階段是一個(gè)變量，因此可以為根據(jù) FPGA 利用率而變化的設(shè)備系列建立經(jīng)驗(yàn)法則。低、中和高利用率估算值可以幫助確定這些條件下的電力需求。表 1 分解了 Virtex 7 FPGA 的低、中和高電流估計(jì)的功率要求。

表 1：Virtex 7 FPGA 的電源要求。

使用表 1 圖表作為我們的指南，我們可以選擇各種選項(xiàng)，例如模擬分立或模塊解決方案以及數(shù)字分立或電源模塊解決方案。FPGA Reference Design Generator等工具使您可以輕松地為目標(biāo) FPGA 硬件選擇解決方案。只需選擇 FPGA 供應(yīng)商、FPGA 系列、當(dāng)前要求、所需背板和感興趣的解決方案。然后，該工具會(huì)提供與所需解決方案相關(guān)的所有必要設(shè)計(jì)資料，包括設(shè)計(jì)原理圖、布局、BOM 和框圖。 

 圖 1： FPGA Reference Design Generator 為您的設(shè)計(jì)找到合適的 Intersil 功率器件。

對(duì)于高性能應(yīng)用，您可能希望盡量減少花在電源上的時(shí)間，而將注意力集中在 FPGA 上開發(fā)應(yīng)用。在高性能系統(tǒng)中，沒有設(shè)置 FPGA 代碼，F(xiàn)PGA 的解決方案代碼通常會(huì)有所不同。使用基于模擬的電源解決方案，您的大部分時(shí)間將花在重新設(shè)計(jì)電感器以及重新計(jì)算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)上，以保持電源的性能。計(jì)算當(dāng)然需要時(shí)間，在某些情況下，這可能意味著重新設(shè)計(jì)電感器。此外，如果封裝尺寸發(fā)生變化，您可能還需要花費(fèi)額外的時(shí)間重新設(shè)計(jì) PCB。使用一些數(shù)字解決方案，例如 ISL827xM，您不必重新設(shè)計(jì)電感器或重新計(jì)算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；

的電源 IC 供應(yīng)商提供模擬和數(shù)字解決方案，包括電源模塊，為您提供多種選擇來評(píng)估權(quán)衡。例如，您可以為 Virtex 解決方案的固定軌選擇ISL85003 3A 開關(guān)降壓穩(wěn)壓器，然后使用數(shù)字電源模塊來支持各種 Virtex 器件選項(xiàng)。在某些情況下，電源軌不僅為 FPGA 供電，還為應(yīng)用中的其他設(shè)備供電。在我們的示例中，我們將為所有三個(gè)電壓軌使用數(shù)字解決方案。我們將使用ISL8270M 25A 數(shù)字電源模塊，并將ZL2102 6A 數(shù)字集成降壓穩(wěn)壓器用于其余軌。

取決于您的電路板啟動(dòng)和測(cè)試策略。Intersil 的PowerNavigator GUI 軟件將有助于加速硬件的啟動(dòng)、測(cè)試和終確定。ISL8270M 和 ZL2102 都提供評(píng)估板，這些評(píng)估板可以連接在一起，然后使用 USB 轉(zhuǎn) PMBus 接口進(jìn)行設(shè)置以滿足您的特定應(yīng)用要求。圖 2 顯示了處于離線模式的 PowerNavigator 工具，可供我們插入硬件并進(jìn)行配置設(shè)置選擇。我們將在啟動(dòng)階段使用這些設(shè)置來分段測(cè)試和驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

圖 2：PowerNavigator GUI 簡(jiǎn)化了高密度電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。