基于FPGA应用设计优秀电源管理解决方案
为fpga应用设计优秀电源管理解决方案不是一项简单的任务，相关技术讨论有很多。本文一方面旨在找到正确解决方案并选择最合适的电源管理产品，另一方面则是如何优化实际解决方案以用于fpga。
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找到合适的电源解决方案
寻找为fpga供电的最佳解决方案并不简单。许多供应商以适合为fpga供电的名义推销某些产品。为fpga供电的dc-dc转换器选择有何特定要求？其实并不多。一般而言，所有电源转换器都可用来为fpga供电。推荐某些产品通常是基于以下事实：许多fpga应用需要多个电压轨，例如用于fpga内核和i/o，还可能需要额外的电压轨来用于ddr存储器。将多个dc-dc转换器全部集成到单个稳压器芯片中的pmic（电源管理集成电路）常常是首选。
一种为特定fpga寻找优秀供电解决方案的流行方法是使用许多fpga供应商都提供的已有电源管理参考设计。这对于优化设计来说是一个很好的入门方式。但此类设计往往需要修改，因为fpga系统通常需要额外的电压轨和负载，这些也需要供电。在参考设计上增加一些东西常常也是必要的。还有一件事需要考虑，那就是fpga的输入电源不是固定的。输入电压在很大程度上取决于实际的逻辑电平以及fpga所实现的设计。完成对电源管理参考设计的修改之后，它看起来将与最初的参考设计不同。可能有人会辩称，最好的解决方案是根本不用电源管理参考设计，而是直接将所需的电压轨和电流输入到电源管理选型与优化工具中，例如adi公司的 ltpowercad等。
图1. 通过ltpowercad工具选择合适的dc-dc转换器来为fpga供电。
ltpowercad可用来为各个电压轨提供电源解决方案。它还提供一系列参考设计，以让设计人员快速入门。ltpowercad可以从adi公司网站免费下载。
一旦选择了电源架构和各个电压转换器，就需要选择合适的无源元件来设计电源。做这件事时，需要牢记fpga的特殊负载要求。
它们分别是：
各项电流需求
电压轨时序控制
电压轨单调上升
快速电源瞬变
电压精度
2
各项电流需求
fpga的实际电流消耗在很大程度上取决于使用情况。不同的时钟和不同的fpga内容需要不同的功率。因此，在fpga系统的设计过程中，典型fpga设计的最终电源规格必然会发生变化。fpga制造商提供的功率估算工具有助于计算解决方案所需的功率等级。在构建实际硬件之前，获得这些信息会非常有用。但是，为了利用此类功率估算工具获得有意义的结果，fpga的设计必须最终确定，或者至少接近最终完成。
通常情况下，工程师设计电源时考虑的是最大fpga电流。如果最终发现实际fpga设计需要的功率更少，设计人员就会缩减电源。
3
电压轨时序控制
许多fpga要求不同电源电压轨以特定顺序上电。内核电压的供应往往需要早于i/o电压的供应，否则一些fpga会被损坏。为了避免这种情况，电源需要按正确的顺序上电。使用标准dc-dc转换器上的使能引脚，可以轻松实现简单的上电时序控制。然而，器件关断通常也需要时序控制。仅执行使能引脚时序控制，很难取得良好的结果。更好的解决办法是使用具有高级集成时序控制功能的pmic，例如 adp5014。图2中用红色表示的特殊电路模块支持调整上电和关断时序。
图2. adp5014 pmic集成了对灵活控制上电/关断时序的支持。
图3显示了利用此器件实现的时序控制。通过adp5014上的延迟(dl)引脚可以轻松调整上电和关断时序的时间延迟。
如果使用多个单独的电源，增加时序控制芯片便可实现所需的上电/关断顺序。一个例子是ltc2924，它既能控制dc-dc转换器的使能引脚来打开和关闭电源，也能驱动高端n沟道mosfet来将fpga与某个电压轨连接和断开。
图3. 多个fpga电源电压的启动和关断顺序。
4
电压轨单调上升
除了电压时序之外，启动过程中还可能要求电压单调上升。这意味着电压仅线性上升，如图4中的电压a所示。此图中的电压b是电压非单调上升的例子。在启动过程中，当电压上升到一定电平时负载开始拉大电流，就会发生这种情况。防止这种情况的一种办法是延长电源的软启动时间，并选择能够快速提供大量电流的电源转换器。
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一种为特定fpga寻找优秀供电解决方案的流行方法是使用许多fpga供应商都提供的已有电源管理参考设计。这对于优化设计来说是一个很好的入门方式。但此类设计往往需要修改，因为fpga系统通常需要额外的电压轨和负载，这些也需要供电。在参考设计上增加一些东西常常也是必要的。还有一件事需要考虑，那就是fpga的输入电源不是固定的。输入电压在很大程度上取决于实际的逻辑电平以及fpga所实现的设计。完成对电源管理参考设计的修改之后，它看起来将与最初的参考设计不同。可能有人会辩称，最好的解决方案是根本不用电源管理参考设计，而是直接将所需的电压轨和电流输入到电源管理选型与优化工具中，例如adi公司的 ltpowercad等。
图1. 通过ltpowercad工具选择合适的dc-dc转换器来为fpga供电。
ltpowercad可用来为各个电压轨提供电源解决方案。它还提供一系列参考设计，以让设计人员快速入门。ltpowercad可以从adi公司网站免费下载。
一旦选择了电源架构和各个电压转换器，就需要选择合适的无源元件来设计电源。做这件事时，需要牢记fpga的特殊负载要求。
它们分别是：
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电压精度
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各项电流需求
fpga的实际电流消耗在很大程度上取决于使用情况。不同的时钟和不同的fpga内容需要不同的功率。因此，在fpga系统的设计过程中，典型fpga设计的最终电源规格必然会发生变化。fpga制造商提供的功率估算工具有助于计算解决方案所需的功率等级。在构建实际硬件之前，获得这些信息会非常有用。但是，为了利用此类功率估算工具获得有意义的结果，fpga的设计必须最终确定，或者至少接近最终完成。
通常情况下，工程师设计电源时考虑的是最大fpga电流。如果最终发现实际fpga设计需要的功率更少，设计人员就会缩减电源。
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电压轨时序控制
许多fpga要求不同电源电压轨以特定顺序上电。内核电压的供应往往需要早于i/o电压的供应，否则一些fpga会被损坏。为了避免这种情况，电源需要按正确的顺序上电。使用标准dc-dc转换器上的使能引脚，可以轻松实现简单的上电时序控制。然而，器件关断通常也需要时序控制。仅执行使能引脚时序控制，很难取得良好的结果。更好的解决办法是使用具有高级集成时序控制功能的pmic，例如 adp5014。图2中用红色表示的特殊电路模块支持调整上电和关断时序。
图2. adp5014 pmic集成了对灵活控制上电/关断时序的支持。
图3显示了利用此器件实现的时序控制。通过adp5014上的延迟(dl)引脚可以轻松调整上电和关断时序的时间延迟。
如果使用多个单独的电源，增加时序控制芯片便可实现所需的上电/关断顺序。一个例子是ltc2924，它既能控制dc-dc转换器的使能引脚来打开和关闭电源，也能驱动高端n沟道mosfet来将fpga与某个电压轨连接和断开。
图3. 多个fpga电源电压的启动和关断顺序。
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电压轨单调上升
除了电压时序之外，启动过程中还可能要求电压单调上升。这意味着电压仅线性上升，如图4中的电压a所示。此图中的电压b是电压非单调上升的例子。在启动过程中，当电压上升到一定电平时负载开始拉大电流，就会发生这种情况。防止这种情况的一种办法是延长电源的软启动时间，并选择能够快速提供大量电流的电源转换器。
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