TI专家分享：如何进行单片FPGA电源解决方案的实施？

来源：TI  作者：Hector F. Arroyo2013年05月31日 10:41

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[导读] 本文我们将探讨几种可用作单片FPGA电力供应的市售多输出稳压器，并了解如何通过一些现有带隙稳压器实现次1.25V输出。

关键词：稳压器FPGA电源微控制器

　　基于FPGA的系统正变得越来越普遍，因其具有通过代码增加特性或者实现改进的灵活性，许多设计人员都钟爱FPGA型构架。但是设计出一款合格的电源需要面对许多挑战，首先是多电源轨问题。FPGA至少需要一个电压用于驱动内核，一个（或者多个）电压用于驱动I/O触排。然而，基于FPGA的系统可能会要求更多的轨，用于驱动双倍数据速率（DDR）内存、收发器、以太网物理层IC（PHY）、ADC或者小型微控制器。另外，这些电压轨需要有专门的架构：次1.25V输出、单调上升、排序和受控上升时间等。

　　尽管设计工程师和半导体制造厂商始终致力于提供集成、易用型替代方法，但在许多时候设计人员仍会利用现有功能，实现远超传统数据表电路的最佳解决方案。在这篇文章中，我们将探讨几种可用作单片FPGA电力供应的市售多输出稳压器，并了解如何通过一些现有带隙稳压器实现次1.25V输出。

　　图1显示了一个使用单片电源供电FPGA（如Altera公司的Cyclone器件）的典型应用简化结构图。TI公司的LM2717是一款集成双输出开关式稳压器IC，可向内核提供2A电流（3.2A峰值），1.5V电压，向I/O提供1.5A电流（2.2A峰值），3.3V电压。

　　图1 1.5V内核和3.3V I/O中等功耗FPGA的LM2717双集成开关模式电源

　　LM2717是一款中等功耗、单片解决方案，拥有实现紧凑型、90%以上效率电源所需的简易性和灵活性，可通过各种电源达到包括FPGA在内的许多数字多轨系统规范要求：5V、12V或者4V到20V范围内的传统电源适配器。LM2717拥有一个可调节输出和一个3.3V的固定输出（常见轨），其通过在输出端安装内部输出电压设置电阻器帮助节省空间和提高输出电压精度。LM2717-ADJ是原版LM2717 IC的改进版，其允许两个输出均为可调节输出，这在需要不同I/O电压的情况下非常有用。

　　Altera公司关于Cyclone和Cyclone II以及许多其他最新一代FPGA（例如：Xilinx Spartan 3E）的技术文献表明，这些FPGA在通电期间不要求对其电压轨进行任何特定排序。但是，系统需要或者为其他FPGA供电时，单个激活引脚（SHDN1 & SHDN2）仍然会出现在LM2717上，目的是在某个具体时间或者以某个特定的顺序开启每个输出。同样，单独的软启动引脚（SS1和SS2）允许LM2717为每个输出电压设置不同的上升时间，以满足单个FPGA和其他数字内核的制造厂商规范。

　　图2显示了一个由LM3370（一种双600mA每通道集成同步降压稳压器）供电的低功耗1.2V、90nm FPGA（Xilinx的Spartan 3L）。

　　图2 1.2V内核和2.5V I/O以及VCCAUX低功耗FPGA的LM3370双集成同步开关式电源

　　我们可以用50mV步进（核心电源理想值）把一条通道的电压从1V调节至2V，同时对另一条通道进行编程用100 mV步进（I/O电源理想值）把输出从1.8V调节至3.3V。每个输出都有单独的激活引脚、内部软启动、快速瞬态响应和上电重置标记，使这种IC成为一种单片最少外部组件解决方案，是驱动低功耗FPGA和其他多轨数字内核的最佳选择。

　　由于有预编程输出电压和单独激活引脚，因此使用LM3370很方便。板上I2C兼容接口允许用户修改IC的各种参数（即使是动态地修改），从而获得更高的灵活性。这些参数包括输出电压设置（每条通道）、输出激活（每条通道）、开关模式选择（自动PWM-PFM，实现轻负载条件下的高效率；固定PWM，实现固定频率工作）、扩展频谱特性激活和扩展频谱频率范围选择。

　　96%高效率LP3906拥有数字可编程灵活性

　　LP3906具有2个可编程降压稳压器，用于支持内核和其他高电流轨；2个可编程LDO，用于支持内部处理器功能和外围设备；另有I2C独立控制LP3906和外围设备。

　　图3 LP3906结构

　　图4所示简化结构图显示了一个三轨、高功耗FPGA电源的实现。在这种情况下，LM2633控制器向Xilinx Virtex5内核提供1.0V电压，向I/O提供3.3V，并为VCCAUX提供2.5V。LM2633是一种三输出IC，它是如何实现技术旧为新用的一个完美例子，其突破了原有的应用传统。三个LM2633输出中的两个使用一个同步整流降压构架，向中高电流负载（5A到15A每条通道）提供最大效率，同时它还集成了一个LDO控制器，用于第三个低功耗输出。开关式输出之一有一个介于0.900到2.000之间的电压范围，使其成为数字器件内核供电的完美选择。第二个开关式输出范围为1.25V到6V，足以供电I/O、内存和其他负载。为了实现更高的精确度和灵活性，通过一个5比特并行数字字实现低电压输出可编程性，其可以硬接线或者靠近连接某个处理器，以在需要时实现动态电压调节。

　　图4 1.0V内核、3.3V I/O和2.5V VCCAUX高功耗FPGA的LM2633三开关式/线性控制器电源

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