大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)研究
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
| 器件型號(hào) | VCCINT /V | VCCAUX /V | VCCO /V | Max I/O | ICCINT at 450MHz/A | ICCAUX /mA | ICCO at 450MHz/A | ICCINT at 100MHz/mA | ICCO at 100MHz/mA |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| XC2V500 | 1.5 | 3.3 | 3.3 | 264 | 9.87 | 10 | 0.58 | 1804 | 79 |
| XC2V1000 | 1.5 | 3.3 | 3.3 | 432 | 14.6 | 10 | 0.91 | 2585 | 124 |
| XC2V1500 | 1.5 | 3.3 | 3.3 | 528 | 20.5 | 20 | 1.1 | 3566 | 149 |
| XC2V2000 | 1.5 | 3.3 | 3.3 | 624 | 27.3 | 20 | 1.28 | 4758 | 174 |
| XC2V3000 | 1.5 | 3.3 | 3.3 | 720 | 39.8 | 20 | 1.49 | 6971 | 200 |
| XC2V4000 | 1.5 | 3.3 | 3.3 | 912 | 60.2 | 30 | 1.85 | 10454 | 251 |
| XC2V6000 | 1.5 | 3.3 | 3.3 | 1104 | 84.5 | 40 | 2.25 | 14528 | 303 |
| XC2V8000 | 1.5 | 3.3 | 3.3 | 1108 | 111.24 | 50 | 2.25 | 19272 | 304 |
根據(jù)采用FPGA系列的不同，核心和I/O電壓可能是3.3V，2.5V，1.8V和1.5V（參見(jiàn)表1），目前總的來(lái)說(shuō)有三種電源解決方案，分別是線(xiàn)性穩(wěn)壓器電源（LDO），開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電源（DC/DC調(diào)整器和DC/DC控制器，兩者的差別主要是內(nèi)部是否集成FETs），電源模塊。在選擇方案時(shí)，要求設(shè)計(jì)者綜合考慮系統(tǒng)要求，成本，效率，市場(chǎng)需要，設(shè)計(jì)靈活性及封裝等眾多因素。
3.1 LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器電源
LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器只適用于降壓變換，具體效果與輸入/輸出電壓比有關(guān)。從基本原理來(lái)說(shuō)，LDO根據(jù)負(fù)載電阻的變化情況來(lái)調(diào)節(jié)自身的內(nèi)電阻，從而保證穩(wěn)壓輸出端的電壓不變。其變換效率可以簡(jiǎn)單地看作輸出與輸入電壓之比。如今很多廠商都有適合FPGA應(yīng)用的低電壓、大電流LDO芯片，比如TI的TPS755XX和TPS756XX系列為5A電流輸出，TPS759XX系列為7.5A電流輸出；Linear的LT1585/A系列為5A輸出,LT1581為10A輸出；National的LMS1585A系列也為5A輸出，并與Linear的LT1585/A系列可以相互替換。LDO芯片所占面積僅為幾個(gè)mm2，只要求外接輸入和輸出電容即可工作。由于采用線(xiàn)性調(diào)節(jié)原理，LDO本質(zhì)上沒(méi)有輸出紋波。不過(guò)隨著LDO的輸入/輸出電壓差別增大或者輸出電流增加，LDO的發(fā)熱比也會(huì)按比例增大，所以，對(duì)散熱控制方面要求很高。圖1以National的LMS1585A為例的LDO穩(wěn)壓器的典型設(shè)計(jì)電路，LMS1585A系列有三種型號(hào)，分別為1.5V，3.3V和可調(diào)電壓輸出，最大輸出電流均為5A。
(a) 3.3/1.5 V固 定 輸 出
(b) 可 調(diào) 電 壓 輸 出
圖 1 LDO穩(wěn) 壓 器 的 典 型 設(shè) 計(jì) 電 路
3.2 DC/DC調(diào)整器電源
DC/DC調(diào)整器利用了磁場(chǎng)儲(chǔ)能，無(wú)論升壓、降壓還是兩者同時(shí)進(jìn)行，都可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的變換效率。與線(xiàn)性穩(wěn)壓（LDO）相比，盡管它要求更大的電路板面積，但對(duì)于FPGA這種需要大電流的應(yīng)用來(lái)說(shuō)卻十分理想。由于變換效率高，因此發(fā)熱很小，這也使得散熱處理得以簡(jiǎn)化。特別是，與LDO器件相比，它常常不需要附加一個(gè)成本較高、面積較大的散熱器?？紤]到DC/DC調(diào)整器集成有FETs，使用時(shí)只需外接一個(gè)電感和必不可少的輸入、輸出電容，故可以使整個(gè)解決方案的空間利用率大大提高。由于是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電源，與線(xiàn)性穩(wěn)壓器電源（LDO）相比，DC/DC調(diào)整器輸出紋波電壓較大、瞬時(shí)恢復(fù)時(shí)間較慢、容易產(chǎn)生電磁干擾（EMI)。要取得低紋波、低EMI、低噪聲的電源，關(guān)鍵在于電路設(shè)計(jì)，尤其是輸入/輸出電容、輸出電感的選擇和布局，都有相當(dāng)?shù)闹v究。目前不少I(mǎi)C廠家都有這種適合FPGA應(yīng)用的大電流DC/DC調(diào)整器芯片，最大輸出電流達(dá)到了9A，比如Elantec的EL7556BC為6A輸出，EL7558BC為8A輸出；TI的TPS5461X系列為6A輸出，TPS54873為9A輸出。本文第4部分將以TI的TPS5461X系列為例介紹DC/DC調(diào)整器電源設(shè)計(jì)的實(shí)例，參見(jiàn)圖4。
評(píng)論