TI專家分享：如何進(jìn)行單片F(xiàn)PGA電源解決方案的實施？
來源：TI 作者：Hector F. Arroyo2013年05月31日 10:41
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[導(dǎo)讀] 本文我們將探討幾種可用作單片F(xiàn)PGA電力供應(yīng)的市售多輸出穩(wěn)壓器，并了解如何通過一些現(xiàn)有帶隙穩(wěn)壓器實現(xiàn)次1.25V輸出。
關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓器FPGA電源微控制器
基于FPGA的系統(tǒng)正變得越來越普遍，因其具有通過代碼增加特性或者實現(xiàn)改進(jìn)的靈活性，許多設(shè)計人員都鐘愛FPGA型構(gòu)架。但是設(shè)計出一款合格的電源需要面對許多挑戰(zhàn)，首先是多電源軌問題。FPGA至少需要一個電壓用于驅(qū)動內(nèi)核，一個（或者多個）電壓用于驅(qū)動I/O觸排。然而，基于FPGA的系統(tǒng)可能會要求更多的軌，用于驅(qū)動雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）內(nèi)存、收發(fā)器、以太網(wǎng)物理層IC（PHY）、ADC或者小型微控制器。另外，這些電壓軌需要有專門的架構(gòu)：次1.25V輸出、單調(diào)上升、排序和受控上升時間等。
盡管設(shè)計工程師和半導(dǎo)體制造廠商始終致力于提供集成、易用型替代方法，但在許多時候設(shè)計人員仍會利用現(xiàn)有功能，實現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)數(shù)據(jù)表電路的最佳解決方案。在這篇文章中，我們將探討幾種可用作單片F(xiàn)PGA電力供應(yīng)的市售多輸出穩(wěn)壓器，并了解如何通過一些現(xiàn)有帶隙穩(wěn)壓器實現(xiàn)次1.25V輸出。
圖1顯示了一個使用單片電源供電FPGA（如Altera公司的Cyclone器件）的典型應(yīng)用簡化結(jié)構(gòu)圖。TI公司的LM2717是一款集成雙輸出開關(guān)式穩(wěn)壓器IC，可向內(nèi)核提供2A電流（3.2A峰值），1.5V電壓，向I/O提供1.5A電流（2.2A峰值），3.3V電壓。
圖1 1.5V內(nèi)核和3.3V I/O中等功耗FPGA的LM2717雙集成開關(guān)模式電源
LM2717是一款中等功耗、單片解決方案，擁有實現(xiàn)緊湊型、90%以上效率電源所需的簡易性和靈活性，可通過各種電源達(dá)到包括FPGA在內(nèi)的許多數(shù)字多軌系統(tǒng)規(guī)范要求：5V、12V或者4V到20V范圍內(nèi)的傳統(tǒng)電源適配器。LM2717擁有一個可調(diào)節(jié)輸出和一個3.3V的固定輸出（常見軌），其通過在輸出端安裝內(nèi)部輸出電壓設(shè)置電阻器幫助節(jié)省空間和提高輸出電壓精度。LM2717-ADJ是原版LM2717 IC的改進(jìn)版，其允許兩個輸出均為可調(diào)節(jié)輸出，這在需要不同I/O電壓的情況下非常有用。
Altera公司關(guān)于Cyclone和Cyclone II以及許多其他最新一代FPGA（例如：Xilinx Spartan 3E）的技術(shù)文獻(xiàn)表明，這些FPGA在通電期間不要求對其電壓軌進(jìn)行任何特定排序。但是，系統(tǒng)需要或者為其他FPGA供電時，單個激活引腳（SHDN1 & SHDN2）仍然會出現(xiàn)在LM2717上，目的是在某個具體時間或者以某個特定的順序開啟每個輸出。同樣，單獨的軟啟動引腳（SS1和SS2）允許LM2717為每個輸出電壓設(shè)置不同的上升時間，以滿足單個FPGA和其他數(shù)字內(nèi)核的制造廠商規(guī)范。
圖2顯示了一個由LM3370（一種雙600mA每通道集成同步降壓穩(wěn)壓器）供電的低功耗1.2V、90nm FPGA（Xilinx的Spartan 3L）。
圖2 1.2V內(nèi)核和2.5V I/O以及VCCAUX低功耗FPGA的LM3370雙集成同步開關(guān)式電源
我們可以用50mV步進(jìn)（核心電源理想值）把一條通道的電壓從1V調(diào)節(jié)至2V，同時對另一條通道進(jìn)行編程用100 mV步進(jìn)（I/O電源理想值）把輸出從1.8V調(diào)節(jié)至3.3V。每個輸出都有單獨的激活引腳、內(nèi)部軟啟動、快速瞬態(tài)響應(yīng)和上電重置標(biāo)記，使這種IC成為一種單片最少外部組件解決方案，是驅(qū)動低功耗FPGA和其他多軌數(shù)字內(nèi)核的最佳選擇。
由于有預(yù)編程輸出電壓和單獨激活引腳，因此使用LM3370很方便。板上I2C兼容接口允許用戶修改IC的各種參數(shù)（即使是動態(tài)地修改），從而獲得更高的靈活性。這些參數(shù)包括輸出電壓設(shè)置（每條通道）、輸出激活（每條通道）、開關(guān)模式選擇（自動PWM-PFM，實現(xiàn)輕負(fù)載條件下的高效率；固定PWM，實現(xiàn)固定頻率工作）、擴(kuò)展頻譜特性激活和擴(kuò)展頻譜頻率范圍選擇。
96%高效率LP3906擁有數(shù)字可編程靈活性
LP3906具有2個可編程降壓穩(wěn)壓器，用于支持內(nèi)核和其他高電流軌；2個可編程LDO，用于支持內(nèi)部處理器功能和外圍設(shè)備；另有I2C獨立控制LP3906和外圍設(shè)備。
圖3 LP3906結(jié)構(gòu)
圖4所示簡化結(jié)構(gòu)圖顯示了一個三軌、高功耗FPGA電源的實現(xiàn)。在這種情況下，LM2633控制器向Xilinx Virtex5內(nèi)核提供1.0V電壓，向I/O提供3.3V，并為VCCAUX提供2.5V。LM2633是一種三輸出IC，它是如何實現(xiàn)技術(shù)舊為新用的一個完美例子，其突破了原有的應(yīng)用傳統(tǒng)。三個LM2633輸出中的兩個使用一個同步整流降壓構(gòu)架，向中高電流負(fù)載（5A到15A每條通道）提供最大效率，同時它還集成了一個LDO控制器，用于第三個低功耗輸出。開關(guān)式輸出之一有一個介于0.900到2.000之間的電壓范圍，使其成為數(shù)字器件內(nèi)核供電的完美選擇。第二個開關(guān)式輸出范圍為1.25V到6V，足以供電I/O、內(nèi)存和其他負(fù)載。為了實現(xiàn)更高的精確度和靈活性，通過一個5比特并行數(shù)字字實現(xiàn)低電壓輸出可編程性，其可以硬接線或者靠近連接某個處理器，以在需要時實現(xiàn)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)。
圖4 1.0V內(nèi)核、3.3V I/O和2.5V VCCAUX高功耗FPGA的LM2633三開關(guān)式/線性控制器電源
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