大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)研究

3.3 DC/DC控制器電源

DC/DC控制器和DC/DC調(diào)整器的差別主要是沒(méi)有內(nèi)置的FETs，因此，它能夠保證設(shè)計(jì)有很大的靈活性，設(shè)計(jì)者可以選用有特定導(dǎo)通電阻的外接FET晶體管，并根據(jù)應(yīng)用的需要調(diào)整電流限。這在需要十幾甚至幾十A電流的特大規(guī)模FPGA開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中非常有用。與DC/DC調(diào)整器相比，采用這種方案設(shè)計(jì)，既要選擇適當(dāng)?shù)妮斎?輸出電容、輸出電感，又要選擇符合要求的FET，增加了設(shè)計(jì)難度和總成本。此外，由于FET外置，占用空間也相對(duì)較大。目前DC/DC控制器芯片市場(chǎng)上非常多，比如TI，Linear，Maxim，National等公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品，規(guī)格也相當(dāng)全，僅Maxim一家就有數(shù)十種此類產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的需求選擇合適的芯片。圖2以Maxim的MAX1961為例，描述了DC/DC控制器電源設(shè)計(jì)的典型電路。MAX1961輸入電壓為2.35V到5.5V；有4個(gè)預(yù)設(shè)的輸出電壓（1.5V，1.8V，2.5V和3.3V)，偏差低于0.5％；輸出電流最高可達(dá)20A。

圖2 DC/DC控 制 器 電 源 設(shè) 計(jì) 典 型 電 路

3.4 電源模塊

電源模塊一般以可插拔的形式給出。就原理上來(lái)說(shuō)，它通常也是個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，所以它的效率也非常高，而且相對(duì)于普通開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，它的集成度更高，外圍只需要一個(gè)輸入電容和一個(gè)輸出電容即可工作（這一點(diǎn)于LDO類似），設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)便，特別適合要求開(kāi)發(fā)周期非常短的應(yīng)用，尤其是原型機(jī)的設(shè)計(jì)。由于電源模塊上集成了幾乎所有可以集成的東西，靈活性相對(duì)較差，價(jià)格也相對(duì)較高。圖3以TI的PT6943為例，描述了用電源模塊設(shè)計(jì)FPGA電源的典型電路。PT6943是TI的PT6940系列電源模塊的一種，輸入為4.5V至5.5V，它支持3.3V和1.5V兩路輸出，每路輸出的最大電流均為6A，它內(nèi)部還集成了電壓順序控制，短路保護(hù)等功能。

圖 3 用 電 源 模 塊 設(shè) 計(jì) FPGA電 源 典 型 電 路

4 FPGA開(kāi)發(fā)板電源設(shè)計(jì)實(shí)例

我們采用TI公司TPS5461X系列DC/DC調(diào)整器芯片的TPS54616（輸出3.3V/6A）和TPS54613（輸出1.5V/6A），設(shè)計(jì)了基于FPGA的MPEG4解碼芯片＊仿真演示開(kāi)發(fā)板的電源（3.3至5V輸入，3.3V和1.5V輸出）。開(kāi)發(fā)板上有兩塊Xilinx的XC2V2000FPGA芯片，規(guī)模相對(duì)較大。電源部分電路如圖4所示。輸入、輸出電容采用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的鉭電解電容，輸出電感選用了Pulse公司的PD0120.702，其電感值為7.1μH,直流電阻為9.5mΩ，飽和電流為12.6A。TPS54613的PWRGD輸出連接了TPS54616的SS/ENA引腳，當(dāng)TPS54613輸出電壓低于1.35V(正常值的90％)時(shí)，PWRGD為低，TPS54616處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)TPS54613輸出電壓高于1.35V時(shí)，PWRGD變高，TPS54616開(kāi)始工作；在關(guān)閉電源時(shí)，TPS54613輸出電壓降到1.35V時(shí)，PWRGD變低，關(guān)斷了TPS54616給I/O供電，使得周邊接口先掉電，從而保證了FPGA核心電壓優(yōu)先于I/O電壓的供電順序，符合一般設(shè)計(jì)規(guī)律。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電源各項(xiàng)指標(biāo)均符合系統(tǒng)要求。

圖4 FPGA開(kāi)發(fā)板電源設(shè)計(jì)實(shí)例電路

5 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)大規(guī)模FPGA開(kāi)發(fā)板電源時(shí)，開(kāi)發(fā)者要在系統(tǒng)整體方案的成本，電路板面積和效率之間進(jìn)行折中。LDO穩(wěn)壓器為電流輸出要求較低的應(yīng)用提供了體積小且廉價(jià)的解決方案；DC/DC調(diào)整器解決方案能夠保證高得多的電源變換效率，散熱簡(jiǎn)單，是一般FPGA電源的理想選擇；DC/DC控制器解決方案設(shè)計(jì)靈活，輸出電流大，是特大規(guī)模FPGA開(kāi)發(fā)板的最佳選擇；電源模塊即插即用，為FPGA電源設(shè)計(jì)提供了一種最為快捷的解決方案。