FPGA和ASIC的電源管理方案

　　考慮到復(fù)雜的起始條件、瞬態(tài)行為及開關(guān)規(guī)格等諸多因素，電源供應(yīng)系統(tǒng)必須符合一定的要求，這一點(diǎn)極為重要。器件中電源的旁路或去耦問(wèn)題也需要特別重視。典型的FPGA電源管理需求如圖1所示。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA最少需要兩個(gè)電壓為其提供供電：一個(gè)專為“核心”供電(1.0~2.5V[典型值])，另一個(gè)專為輸入/輸出供電(3.3V[典型值])。許多FPGA另外還需要第三個(gè)低噪音、低紋波的電壓，以便為輔助電路供電。不同系列的FPGA有不同的電壓需要，典型電壓為2.5V或3.3V。對(duì)每一電壓來(lái)說(shuō)，工作電流并不固定，而是取決于許多與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的因素，例如FPGA的速度及資源利用率等。工作電流可以低至100mA，也可高至20A。在這些系統(tǒng)中，輸入電壓通常比FPGA的任一供電電壓都要高，因此需要降低其電壓并加以穩(wěn)壓。在FPGA中最常用的三款降壓穩(wěn)壓器電路如圖2所示，分別是同步降壓穩(wěn)壓器、非同步降壓穩(wěn)壓器及線性穩(wěn)壓器。選用穩(wěn)壓器時(shí)，必須詳細(xì)考慮系統(tǒng)的規(guī)格要求及穩(wěn)壓器的工作情況，以便作出配合。為了得到成功的設(shè)計(jì)，也需要考慮以下的問(wèn)題。

　　輸入電壓(VIN)

　　FPGA的輸入供電由銀盒、底板或中間供電干線提供。典型的輸入電壓一般介于3~15V之間，部分工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入電壓會(huì)高達(dá)30V。輸入電壓中的一部分可能用不到，這是因?yàn)?，為芯片供電的穩(wěn)壓器的VIN引腳上有最大額定值的限制。

　　輸出電壓(VOUT)及輸出電流(IOUT)

　　穩(wěn)壓器的主要作用是穩(wěn)定電壓，換言之，無(wú)論輸入電壓及負(fù)載電流如何波動(dòng)，穩(wěn)壓器都可以產(chǎn)生固定的輸出電壓。正如先前所說(shuō)，工作電流可以在100mA~20A之間的范圍內(nèi)變化。輸入電壓、輸出電壓及輸出電流等數(shù)值一經(jīng)確定后，便可決定應(yīng)該選用哪種類型的穩(wěn)壓器。以下是從經(jīng)驗(yàn)或?qū)嵺`中得出的一些結(jié)論：

　　* 假如功耗不超過(guò)1W，應(yīng)采用線性穩(wěn)壓器；

　　* 假如輸入/輸出電壓比小于2:1，而輸出電流不超過(guò)3A，應(yīng)采用非同步降壓穩(wěn)壓器；

　　* 假如輸入/輸出電壓比大于2:1，而輸出電流又超過(guò)5A，應(yīng)采用同步降壓穩(wěn)壓器。

　　穩(wěn)壓器通過(guò)將參考電壓與出現(xiàn)在反饋引腳上的小部分輸出電壓加以比較來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。參考電壓通常設(shè)置為可得到的最小輸出電壓。

　　部分控制器規(guī)定啟動(dòng)時(shí)間不能超過(guò)某一時(shí)限，這使得穩(wěn)壓器無(wú)法將輸入電壓降低太多?？刂破鞯淖钚?dòng)時(shí)間(TON min)也限定了一定頻率下的最小輸出電壓。例如，如果啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)其最低時(shí)限，輸出電壓便會(huì)升高超過(guò)預(yù)期值。

　　VIN=12V
　　VOUT=1.2V
　　D=1.2V/12V=0.1
　　FS=300KHZ
　　Ton min=0.1*(1/300KHZ)=333ns

　　降低開關(guān)頻率有助提升降壓比。

　　開關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率

　　開關(guān)頻率的高低會(huì)影響一些重要的參數(shù)，包括電感和電容的大小、效率、紋波電壓，以至解決方案的設(shè)定。開關(guān)頻率較高時(shí)，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)選用較小的電感以及較小的輸出電容，以便降低紋波電壓。較高的開關(guān)頻率也使得高帶寬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)。此外，設(shè)計(jì)工程師可能也需要讓系統(tǒng)工作于特定的頻率波段以外，以避免雜波干擾，采用可調(diào)節(jié)頻率的降壓穩(wěn)壓器有助于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

　　效率

　　效率是輸出功率與輸入功率的百分比，用于表示無(wú)用功率的大小。這是一個(gè)經(jīng)常被系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師誤解的參數(shù)。當(dāng)輸入電流無(wú)限制或是電池壽命無(wú)關(guān)緊要時(shí)，重要的就不僅僅只有效率，還有功耗。功耗會(huì)直接導(dǎo)致許多系統(tǒng)元件的溫度上升，如芯片、MOSFET、電容以及電感。一定面積上的功耗也很重要。一般來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有氣流的條件下，一平方英寸的銅表面耗散1W的功率，會(huì)導(dǎo)致溫度升高40℃。

　　例如，假設(shè)：

　　VOUT=1.5V
　　IOUT=15A
　　效率=90%
　　功耗=2.5W

　　這2.5W的功率若通過(guò)一平方英寸的銅耗散，銅的溫度會(huì)升高100℃。

　　在另一例子中，有：

　　VOUT=1.5V
　　IOUT=1.5A
　　效率=81%
　　功耗=0.53W

　　若與前一例子中90%的效率相比，這個(gè)例子中的效率數(shù)字看起來(lái)不大理想。但在這個(gè)例子中，一平方英寸面積所耗散的功率只有0.53W，溫度只會(huì)升高20℃。

　　這兩個(gè)例子說(shuō)明功耗比效率更為重要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師若明白這個(gè)道理，便可為其所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇最理想的效率，降低系統(tǒng)的整體成本。

　　體積

　　在特定的設(shè)計(jì)中，縮小元件的面積或高度會(huì)對(duì)系統(tǒng)的成本及效率產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，小型電感的等效串聯(lián)電阻(ESR)通常都比大型電感高，采用低外形設(shè)計(jì)的電感或電解電容一般都較為昂貴，多層電路板可以縮小體積，但一般來(lái)說(shuō)也會(huì)增加整體成本。一些設(shè)計(jì)工程師可能會(huì)通過(guò)提高開關(guān)頻率的方法來(lái)縮小元件尺寸，但開關(guān)頻率的提高會(huì)增加功率損耗。

　　系統(tǒng)成本

　　為FPGA芯片提供最具成本效益的供電一直是設(shè)計(jì)工程師的目標(biāo)，但將供電成本盡量降低并不表示要選用最廉價(jià)的穩(wěn)壓器。例如，內(nèi)置FET的穩(wěn)壓器較為昂貴，因此設(shè)計(jì)工程師有時(shí)會(huì)不假思索地拒絕采用這類穩(wěn)壓器，但在某些應(yīng)用情況下，這類穩(wěn)壓器比外置MOSFET的穩(wěn)壓器更具成本效益。另外，外置FET的穩(wěn)壓器對(duì)于來(lái)自電路板的噪音影響更加敏感，而簡(jiǎn)單的內(nèi)置MOSFET的集成開關(guān)穩(wěn)壓器能夠消除大多數(shù)的噪音敏感性問(wèn)題。

　　另一個(gè)例子是，應(yīng)該采用雙通道降壓轉(zhuǎn)換器取代兩個(gè)單通道開關(guān)轉(zhuǎn)換器。這樣可以大大節(jié)省需要的輸入電容數(shù)量，而且由于兩個(gè)相位可以異相操作，因此輸入電容的均方根(RMS)紋波電流可以大幅降低。如果多個(gè)非同步開關(guān)穩(wěn)壓器以略微不同的頻率工作，就會(huì)產(chǎn)生拍頻，而雙相位控制器可以避免拍頻。要知道，真正的成本是系統(tǒng)物料清單上所開列的成本，并不是個(gè)別元件的成本。

　　瞬態(tài)響應(yīng)

　　在工作電流點(diǎn)上，F(xiàn)PGA的核心電壓會(huì)產(chǎn)生極高的轉(zhuǎn)換率。為此，控制器必須提供較大的階躍負(fù)載電流，將輸出電壓的擾動(dòng)減至最低。控制器對(duì)負(fù)載的響應(yīng)能力被稱為瞬態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)影響工作帶寬、輸出電容以及等效串聯(lián)電阻。

　　排序及跟蹤

　　系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，可能需要某一電源在另一電源之前啟動(dòng)，如果順序不正確，電源便會(huì)鎖死，而FPGA可能會(huì)因此受損或發(fā)生故障。有些FPGA在輸入/輸出電壓和核心電壓之間具有排序及/或跟蹤功能，幾種不同的排序及跟蹤方法如圖3所示。如果穩(wěn)壓器已經(jīng)集成有電源正常(power good)、使能(enable)、軟啟動(dòng)及跟蹤功能，便可簡(jiǎn)單靈活地實(shí)現(xiàn)排序及跟蹤；若沒(méi)有，便需增加外部電路以確保電源可以按照正確的順序啟動(dòng)。

　　FPGA電壓要求有一定的上升速率，這可以利用軟啟動(dòng)電容實(shí)現(xiàn)。而且，啟動(dòng)時(shí)的上升電壓一般都必須是單調(diào)的，不能下降。如果電源供應(yīng)的輸出電容較小，啟動(dòng)時(shí)的電壓就會(huì)受其影響而下跌。容量足夠大的電容可以儲(chǔ)存充足的電荷，為FPGA芯片提供啟動(dòng)負(fù)載瞬態(tài)電壓。

　　同步

　　同步功能的作用是確保兩個(gè)或更多的穩(wěn)壓器可以一同被鎖定在某一頻率，以免出現(xiàn)拍頻。