FPGA概述
现场可编程门阵列(FPGA)是一种可编程逻辑器材，由不计其数个完全相同的可编程逻辑单元组成，周围是输入/输出单元构成的外设。制作完成后，FPGA可以在作业现场编程，以便完成特定的规划功用。典型规划作业包含指定各单元的简略逻辑功用，并挑选性地闭合互连矩阵中的一些开关。为保证正常作业，FPGA有必要运用恰当的电源办理技能。FPGA开始用于体系原型制作，终究量产时会用高速IC或ASIC代替。不过，近年来FPGA的功用有很大改进，本钱则不断下降，因而FPGA现已广泛用于出产规划。
FPGA的功耗取决于许多不同要素，与规划密切相关。有必要运用准确的功耗预算办法，才干保证电源体系契合FPGA要求。FPGA制作商会供给网络工具，用于功耗核算。为了预算FPGA的功耗，核算程序需考虑规划资源运用、切换速率、作业时钟频率、I/O运用及其它许多要素。
FPGA首要有三种可装备元件：可装备逻辑模块(CLB)、I/O模块(IOB)和互连。其间，CLB供给功用逻辑元件，IOB供给封装引脚与内部信号线之间的接口，可编程互连资源供给路由途径，将CLB和IOB的输入和输出与合适的网络相连。CLB（或内核）上施加的电压称为VCCINT。VCCO是IOB的电源电压。一些FPGA还有其它电压输入，称为VCCAUX。VCCINT（用于CLB）的典型值为1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V和3V，电流可达10A或更高。CLB数量越多，则电压越低，电流越高。发动时，VCCINT有必要单调上升，不得跌落。最常用的VCCO电压（用于IOB）为1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V或传统体系中的5V。电流规模为1A至20A。辅佐电压(VCCAUX)典型值为3.3V或2.5V。它为FPGA中的时刻要害资源供电，因而易受电源噪声影响。VCCAUX可以与VCCO共用一个电源层，但条件是VCCO不会发生过大的噪声。
FPGA运用的电源类型
FPGA电源要求输出电压规模从1.2V到5V，输出电流规模从数十毫安到数安培。可用三种电源：低压差(LDO)线性稳压器、开关式DC-DC稳压器和开关式电源模块。终究挑选何种电源取决于体系、体系预算和上市时刻要求。
假如电路板空间是首要考虑要素，低输出噪声十分重要，或许体系要求对输入电压改变和负载瞬变做出快速呼应，则应运用LDO稳压器。LDO成效比较低（由于是线性稳压器），只能供给中低输出电流。输入电容一般可以下降LDO输入端的电感和噪声。LDO输出端也需求电容，用来处理体系瞬变，并坚持体系稳定性。也可以运用双输出LDO，一起为VCCINT和VCCO供电。
假如在规划中功率至关重要，而且体系要求高输出电流，则开关式稳压器占优势。开关电源的成效比高于LDO，但其开关电路会添加输出噪声。与LDO不同，开关式稳压器需运用电感来完成DC-DC转化。
FPGA的特别电源要求
为保证正确上电，内核电压VCCINT的缓升时刻有必要在制作商规则的规模内。关于一些FPGA，由于VCCINT会在晶体管阈值导通前逗留更多时刻，因而过长的缓升时刻或许会导致发动电流持续较长时刻。假如电源向FPGA供给大电流，则较长的上电缓升时刻会引起热应力。ADI公司的DC-DC稳压器供给可调软发动，缓升时刻可以经过外部电容进行操控。缓升时刻典型值在20ms至100ms规模内。
许多FPGA没有时序操控要求，因而VCCINT、VCCO和VCCAUX可以一起上电。假如这一点无法完成，上电电流可以稍高。时序要求依详细FPGA而异。关于一些FPGA，有必要一起给VCCINT和VCCO供电。关于另一些FPGA，这些电源可按任何次序接通。大都状况下，先给VCCINT后给VCCO供电是一种较好的做法。
当VCCINT在0.6V至0.8V规模内时，某些FPGA系列会发生上电涌入电流。在此期间，电源转化器持续供电。这种运用中，由于器材需经过下降输出电压来约束电流，所以不引荐运用返送电流约束。但在限流电源解决计划中，一旦限流电源所供电的电路电流超越设定的额定电流，电源就会将该电流约束在额定值以下。
FPGA配电结构
关于高速、高密度FPGA器材，坚持杰出的信号完整性关于完成牢靠、可重复的规划十分要害。恰当的电源旁路和去耦可以改进全体信号完整性。假如去耦不充分，逻辑转化将会影响电源和地电压，导致器材作业不正常。此外，选用分布式电源结构也是一种首要解决计划，给FPGA供电时可以将电源电压偏移降至最低。
在传统电源结构中，AC/DC或DC/DC转化器坐落一个当地，并供给多个输出电压，在整个体系内分配。这种规划称为集中式电源结构(CPA)，见图1。以高电流分配低电压时，铜线或PCB轨迹会发生严峻的电阻损耗，CPA就会发生问题。
图1 集中式电源结构
CPA的代替计划是分布式电源结构(DPA)，见图2。选用DPA时，整个体系内仅分配一个半稳压的DC电压，各DC/DC转化器（线性或开关式）与各负载相邻。DPA中，DC/DC转化器与负载（例如FPGA）之间的间隔近得多，因而线路电阻和配线电感引起的电压下降得以减小。这种为负载供给本地电源的办法称为负载点(POL)。
图2 分布式电源结构
当一个逻辑器材从逻辑1切换到逻辑0时，或许从逻辑0切换到逻辑1时，包含电源的输出结构暂时变为低阻抗状况。每次转化均要求对信号线进行充电或放电，这就需求能量。旁路电容的功用是在本地贮存能量，以供给转化所需的能量。
本地贮存能量有必要在较宽的频率规模内可用。低串联电感的十分小的电容用来为高频转化供给快速电流。高频电容能量耗尽之后，较大、较慢的电容持续供给电流。FPGA技能要求三种频率规模内的电容，即高、中、低频率规模。这些频率的跨度为1kHz至500MHz。
正确放置关于高频电容（1nF至100nF低电感陶瓷片式电容）十分重要；关于中频电容（10μF至100μF钽电容或陶瓷电容）和低频电容(>470μF)，这种重要性顺次下降。之所以与放置有关，原因很简略：从电容引脚到FPGA电源引脚的途径电感有必要尽或许低。这意味着该途径有必要尽或许短，哪怕要穿过实体接地层或电源层。1英寸实心铜层的电感约为1nH，因而间隔极为重要。旁路电容过孔有必要直接下行至接地层或VCC层。
高频旁路电容，无论是在VCCINT仍是VCCIO上，均应安装在相关VCC引脚的1厘米规模内；中频旁路电容则应安装在VCC引脚的3厘米规模内。低频旁路电容可以安装在合理规模内的电路板上恣意方位。当然，离FPGA越近越好。
较新的FPGA有输入/输出旁路要求，因而曾经用于低速或低密度规划的电容类型或许无效。依据所用资料、结构和值的不同，旁路电容在整个频率规模内有不同的串联电抗。经过检查各种系列的数据手册，可以得知某些电容更合恰当前所考虑的运用。
图3中显现了电容阻抗随频率的改变曲线。阻抗最小值坐落电容的自谐振频率；超越此频率后，寄生引线电感在“电容”的电抗特性中占有主导地位。图中，业界标准型X7R单芯片、10nF陶瓷1206片式电容在50MHz时的阻抗为0.2Ω。但是，在500MHz时，该电容的阻抗约为3Ω。当有用阻抗增大，负载无法运用电容所贮存的能量时，电容即无效。一起还有必要考虑温度规模和老化效应。一些电容在室温时阻抗较低，但在极点温度时则体现欠安。当电容值较大（100nF至330nF）时，Z5U电容在高频时的ESR或许较低。不过，这种电容不宜在10℃以下运用。作为+20%、–80%额定器材，这种电容要求简直两倍的规划值才干安全运用。挑选旁路电容系列时，最好检查电容制作商的数据手册。
图3 电容阻抗随频率的改变曲线
FPGA电源规划或许会触及5A、10A乃至更高的电流在PCB走线中活动。当这种大电流存在并以开关形式（边缘峻峭）随时刻改变时，清楚明了，噪声、感应电压和电磁辐射(EMI)很或许呈现，并或许导致电源作业反常。与配线电感相关的快速开关电流也或许会发生电压瞬变，并导致其它问题。为使电感和接地环路最小，传导高电流的PCB走线应尽或许短。应选用接地层结构或单点接地，使外部元件尽或许接近DC/DC转化器，以完成最佳作用。运用开口铁芯电感时，有必要特别注意这种电感的方位和定位，防止电感通量与灵敏的反应接地途径和COUT配线相交。运用具有可调输出的开关稳压器或操控器时，应将反应电阻和相关配线置于IC邻近，并远离电感安置配线，尤其是开口铁芯式电感。铁氧体绕轴或铁棒电感具有从绕轴一端经空气抵达另一端的磁力线。这些磁力线会在电感磁场规模内的一切导线或PC板铜走线中发生感应电压。铜走线中发生的电压量由以下要素决议：磁场强度、PC铜走线相关于磁场的方向和方位，以及铜走线与电感之间的间隔。
FPGA和稳压器的牢靠性取决于散热问题。这些器材的温度首要受待机功耗和总功耗、外部容性负载（仅FPGA）、热阻、环境温度以及气流等要素操控。有必要有用办理这些要素，使结温(Tj)一直低于制作商规则的最高温度。
ADP2114同步降压开关稳压器
ADP2114（图4）是一款功用多样的同步降压开关稳压器，可满意各种客户负载点要求。两个PWM通道既可以装备为别离供给2A和2A（或3A/1A）电流的两路独立输出，也可以装备为供给4A电流的单路交织式输出。ADP2114可供给高成效，开关频率最高可达2MHz。在轻负载时，该器材可以设置为脉冲跳动形式作业，以便进步成效，或许设置为强制PWM形式作业，以便下降电磁搅扰(EMI)。ADP2114还具有欠压闭锁(UVLO)、迟滞、软发动和电源正常输出指示等特性；维护特性有输出短路维护和热关断等。可以运用极小电阻和%&&&&&%对输出电压、电流约束、开关频率、脉冲跳动作业形式和软发动时刻进行外部编程。
图4 ADP2114同步降压开关稳压器
该器材可用于多个终端商场，例如通讯基础设施、工业和仪器仪表、医疗保健以及高端消费电子商场。在这些终端商场的首要运用是分布式电源体系中的负载点稳压器。
尽管DC-DC稳压器的成效远高于LDO，但一般认为其噪声太高，无法在不明显下降其它参数功用的状况下，直接为高功用模数转化器供电。模数转化器的噪声至少有两个来历：经过电源纹波直接耦合至转化器中的噪声，以及磁耦合效益引起的噪声。
图5所示为一种实验室设置，针对选用低噪声LDO供电和选用开关稳压器ADP2114供电两种状况，比较一个16位、125MSPS模数转化器的功用。评价所用的AD9268可完成十分低的噪声，信噪比(SNR)为78dB。DC-DC转化器奉献的额定噪声或杂散成分很简单反映在该模数转化器的输出频谱中，因而-152dBm/Hz的低本底噪声使它十分合适评价开关电源。
图5 开关电源供电测验
咱们将ADP2114与低噪声LDO稳压器进行比较。高功用、16位、125MSPS AD转化器AD9268的评价结果表明：选用开关稳压器ADP2114供电与选用低噪声LDO稳压器供电比较，功用未受影响。
因而，ADP2114可以为用户供给可装备才能、多样化功用和灵活性，而且具有低噪声特性和高转化功率。一起可以满意各种客户负载点电源要求，性价比高，是FPGA、AS%&&&&&%、DSP和微处理器供电的抱负挑选。ADI公司供给网络工具可便利规划导入，一起供给评价板，有助于完成快速导入。
发布者：小宇
