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大规模现场可编程门阵列(FPGA)开发系统电源设计研究 (转贴)
虞露,李儆,冯兴光
(浙江大学信电系信息与通信工程研究所,浙江 杭州 310027)
摘要:以Xilinx的FPGA为例,介绍了FPGA开发系统的电源要求和功耗,并给出了采用线性低压降(LDO)稳压器,DC/DC调整器,DC/DC控制器和电源模块等几种电源解决方案。
关键词:现场可编程门阵列;电源设计;DC/DC变换器;
1 引言
现场可编程门阵列(FPGA)的出现给电路设计带来了极大的方便,目前,在芯片设计领域也采用FPGA来开发仿真验证平台。这种开发系统的FPGA一般规模较大,功耗也相对较高,因此,其供电系统的好坏直接影响到整个开发系统的稳定性。所以,设计出高效率、高性能的FPGA供电系统具有极其重要的意义。
2 FPGA电源指标要求
我们以Xilinx的FPGA为例,包括Virtex II,Virtex-II Pro,Spartan II和Spartan IIE系列,介绍FPGA的电源指标要求。
2.1 额定电压
FPGA对电源的要求与DSP非常相似,一般需要2.5V,1.8V或1.5V作为核心电压,3.3V或2.5V作为I/O电压,另外Virtex II和Virtex-II Pro还需要3.3V的辅助电压。表1列举了Xilinx不同系列FPGA的电压需求。
2.2 电压上升时间
为了保证FPGA正常启动,核心电压(VCCINT)的上升时间tr必须在特定的范围内,表2列举了不同系列FPGA的这一指标要求。此外,电压上升必须单调,不允许有波动。某些DC/DC变换芯片,比如TI的TPS5461X系列可以外部调节电压上升时间,给设计带来了方便。
表 2 核 心 电 压 上 升 时 间 要 求
2.3 供电电压顺序
根据Xilinx的文档,对于Virtex II和Virtex-II Pro系列FPGA没有电压顺序要求,推荐所有的供电电压同时上电,否则,可能产生较大的启动电流。对于Spartan-IIE系列,推荐核心电压和I/O电压同时供给。对于Spartan II系列上电顺序可以任意。
设计经验表明,大部分情况下对于Xilinx的FPGA来说,核心电压先于I/O电压供给是个比较好的做法。
2.4 电流监测和限制
对于Spartan II和Spartan IIE系列FPGA,电流监测和限制一般不推荐使用,因为,在核心电压(VCCINT)上升至0.6V到0.8V之间时,该系列FPGA会产生一个较大的启动涌入电流,如果存在监测电路就会降低输出电压以限制电流,使电压上升产生波动。如果一定要采用监测电路,启动限制电流不能低于核心电压(VCCINT)额定电流的2倍。对于其他系列FPGA由于不存在涌入电流,所以无此要求。
2.5 电压功耗估计
FPGA由一个未连接的电路单元阵列组成,通过用户编程进行配置。FPGA的电源功耗一般取决于以下因素:内部资源的使用率,工作时钟频率,输出变化率,布线密度,I/O电压等,见表3。不同的应用,电源实际功耗相差非常大。
表3 FPGA电源功耗因素
Xilinx的电源估计软件是一个准确估计各系列FPGA功耗的一个很好的工具。利用此工具我们得到了VirtexII系列FPGA的电流估计结果,见表4。表4中我们做了如下假定:输出变化率25%(450MHz)和15%(100MHz);逻辑单元使用率为100%;器件工作在单一频率下;布线密度为中等;输出负载电容为30pF;I/O使用率为100%;50%的I/0端口为输入,其余的为输出;输出I/O中16个为DDR标准,其余的为SDR标准。
表4 VirtexII系列FPGA电源功耗
3 现有的FPGA电源解决方案
根据采用FPGA系列的不同,核心和I/O电压可能是3.3V,2.5V,1.8V和1.5V(参见表1),目前总的来说有三种电源解决方案,分别是线性稳压器电源(LDO),开关稳压器电源(DC/DC调整器和DC/DC控制器,两者的差别主要是内部是否集成FETs),电源模块。在选择方案时,要求设计者综合考虑系统要求,成本,效率,市场需要,设计灵活性及封装等众多因素。
3.1 LDO线性稳压器电源
LDO线性稳压器只适用于降压变换,具体效果与输入/输出电压比有关。从基本原理来说,LDO根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻,从而保证稳压输出端的电压不变。其变换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。如今很多厂商都有适合FPGA应用的低电压、大电流LDO芯片,比如TI的TPS755XX和TPS756XX系列为5A电流输出,TPS759XX系列为7.5A电流输出;Linear的LT1585/A系列为5A输出,LT1581为10A输出;National的LMS1585A系列也为5A输出,并与Linear的LT1585/A系列可以相互替换。LDO芯片所占面积仅为几个mm2,只要求外接输入和输出电容即可工作。由于采用线性调节原理,LDO本质上没有输出纹波。不过随着LDO的输入/输出电压差别增大或者输出电流增加,LDO的发热比也会按比例增大,所以,对散热控制方面要求很高。图1以National的LMS1585A为例的LDO稳压器的典型设计电路,LMS1585A系列有三种型号,分别为1.5V,3.3V和可调电压输出,最大输出电流均为5A。(如图:
3.2 DC/DC调整器电源
DC/DC调整器利用了磁场储能,无论升压、降压还是两者同时进行,都可以实现相当高的变换效率。与线性稳压(LDO)相比,尽管它要求更大的电路板面积,但对于FPGA这种需要大电流的应用来说却十分理想。由于变换效率高,因此发热很小,这也使得散热处理得以简化。特别是,与LDO器件相比,它常常不需要附加一个成本较高、面积较大的散热器。考虑到DC/DC调整器集成有FETs,使用时只需外接一个电感和必不可少的输入、输出电容,故可以使整个解决方案的空间利用率大大提高。由于是开关稳压器电源,与线性稳压器电源(LDO)相比,DC/DC调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较慢、容易产生电磁干扰(EMI)。要取得低纹波、低EMI、低噪声的电源,关键在于电路设计,尤其是输入/输出电容、输出电感的选择和布局,都有相当的讲究。目前不少IC厂家都有这种适合FPGA应用的大电流DC/DC调整器芯片,最大输出电流达到了9A,比如Elantec的EL7556BC为6A输出,EL7558BC为8A输出;TI的TPS5461X系列为6A输出,TPS54873为9A输出。本文第4部分将以TI的TPS5461X系列为例介绍DC/DC调整器电源设计的实例,参见图4。
3.3 DC/DC控制器电源
DC/DC控制器和DC/DC调整器的差别主要是没有内置的FETs,因此,它能够保证设计有很大的灵活性,设计者可以选用有特定导通电阻的外接FET晶体管,并根据应用的需要调整电流限。这在需要十几甚至几十A电流的特大规模FPGA开发系统中非常有用。与DC/DC调整器相比,采用这种方案设计,既要选择适当的输入/输出电容、输出电感,又要选择符合要求的FET,增加了设计难度和总成本。此外,由于FET外置,占用空间也相对较大。目前DC/DC控制器芯片市场上非常多,比如TI,Linear,Maxim,National等公司都有相应的产品,规格也相当全,仅Maxim一家就有数十种此类产品,设计者可以根据自己的需求选择合适的芯片。图2以Maxim的MAX1961为例,描述了DC/DC控制器电源设计的典型电路。MAX1961输入电压为2.35V到5.5V;有4个预设的输出电压(1.5V,1.8V,2.5V和3.3V),偏差低于0.5%;输出电流最高可达20A。
3.4 电源模块
电源模块一般以可插拔的形式给出。就原理上来说,它通常也是个开关稳压器,所以它的效率也非常高,而且相对于普通开关稳压器,它的集成度更高,外围只需要一个输入电容和一个输出电容即可工作(这一点于LDO类似),设计相当简便,特别适合要求开发周期非常短的应用,尤其是原型机的设计。由于电源模块上集成了几乎所有可以集成的东西,灵活性相对较差,价格也相对较高。图3以TI的PT6943为例,描述了用电源模块设计FPGA电源的典型电路。PT6943是TI的PT6940系列电源模块的一种,输入为4.5V至5.5V,它支持3.3V和1.5V两路输出,每路输出的最大电流均为6A,它内部还集成了电压顺序控制,短路保护等功能。
4 FPGA开发板电源设计实例
我们采用TI公司TPS5461X系列DC/DC调整器芯片的TPS54616(输出3.3V/6A)和TPS54613(输出1.5V/6A),设计了基于FPGA的MPEG4解码芯片*仿真演示开发板的电源(3.3至5V输入,3.3V和1.5V输出)。开发板上有两块Xilinx的XC2V2000FPGA芯片,规模相对较大。电源部分电路如图4所示。输入、输出电容采用低等效串联电阻(ESR)的钽电解电容,输出电感选用了Pulse公司的PD0120.702,其电感值为7.1μH,直流电阻为9.5mΩ,饱和电流为12.6A。TPS54613的PWRGD输出连接了TPS54616的SS/ENA引脚,当TPS54613输出电压低于1.35V(正常值的90%)时,PWRGD为低,TPS54616处于关闭状态,当TPS54613输出电压高于1.35V时,PWRGD变高,TPS54616开始工作;在关闭电源时,TPS54613输出电压降到1.35V时,PWRGD变低,关断了TPS54616给I/O供电,使得周边接口先掉电,从而保证了FPGA核心电压优先于I/O电压的供电顺序,符合一般设计规律。经实际测试,电源各项指标均符合系统要求。
5 结语
在设计大规模FPGA开发板电源时,开发者要在系统整体方案的成本,电路板面积和效率之间进行折中。LDO稳压器为电流输出要求较低的应用提供了体积小且廉价的解决方案;DC/DC调整器解决方案能够保证高得多的电源变换效率,散热简单,是一般FPGA电源的理想选择;DC/DC控制器解决方案设计灵活,输出电流大,是特大规模FPGA开发板的最佳选择;电源模块即插即用,为FPGA电源设计提供了一种最为快捷的解决方案。
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