微处理器电源

当今采用先进技术的电子产品，依赖于微处理器和FPGA。微处理器和FPGA需要多电源轨(图1)。
 
图1 微处理器的多轨系统 
在多轨电源系统设计中，上电时序和功耗是两个关键考虑的因素。

上电时序

微处理器多轨电源系统中，上电时序是关键。这是因为它可导致系统闭锁和启动过程中断。闭锁是在电子元件的电源轨之间低阻抗通路无意中生成的，它触发寄生结构，这相当于短路。例如，在微处理器中，假若VI/O在Vcore之前到来或在Vcore跃降前VI/O关闭，都会产生闭锁条件。上电过程的精心排序是避免闭锁的唯一方法。按序加电轨，设计人员也可以限制前端电源的瞬时功率要求，使解扣达到电源限制阈值的风险减少。

上电浪涌(POS)或起动电流是FPGA首次上电所吸进的电流。POS是当今FPGA结构的固有影响，POS不能消除，只可以控制。

在起动和初始化完成前，FPGA的单元都随机地处于争用状态。在电源轨达到0.6V~0.8V时，这种低阻抗状态产生一个电流浪涌。同时，电源轨也必须充电与每个FPGA单元有关的固有电容，并对去耦(旁路)电容器(其值为几百微法)充电。

这种浪涌电流是由电容器(I=cdv/dt)和FPGA起动电流组成，它往往比稳态电流大很多。然而，若输入电压慢速上升，则可大大降低电容充电电流。

与控制电流上升速度无关的其他重要参量是工作温度。例如，Xilinx的Spartan II FPGA器件，在0℃时POS标定为500mA，在低于0℃时，所标定的POS上升到2A。
在大多数微处理器和FPGA的电源设计中，其输入电压大于芯核和I/O所需求的电压，所以必须降压。一般用于降低输入电压，并能实现软启动的拓扑是线性稳压器和开关电源。

功耗

电源的绝对功耗比较效率更重要，因为它为设计师指明密度和板上热点数。电源的可靠性直接与元件和板本身的温度分布有关。通常，电源稳压器封装在标准封装(如TO220)中。这种封装具有热阻。假定环境温度为45℃，功耗为1W，则TO220封装将达到105℃温度。此时，明显的选择是用散热器，但这不适合于很多紧凑设计。

有两种基本的变换器拓扑可供选择。通常，线性拓扑比开关稳压器优越，如果整个系统效率或热管理不是重要的问题，则应选择线性拓扑。数字电源轨相对不受开关噪声影响，因此比较适合于开关电源变换器。相反，模拟电源轨对噪声高度敏感，因此，通常需要线性稳压器。线性稳压器的频率响应和噪声性能优于开关稳压器，这是由于输出晶体管的高频特性所致。而线性稳压器的效率是相当低的。而且需要外部元件来实现软启动。当然，有不同类型线性稳压器，应选择适合微处理器和FPGA应用的。例如，需要电压轨小于1V，FPGA通常需要2.5V和1.8V轨，而低压降稳压器(LDO)适合这些应用。

表1给出图1多轨系统中所用变换器的功耗和功率考虑。
 

软启动

保证微处理器和FPGA能成功和重复上电的实用方法是软启动，软启动法也能处理时序要求和限制前端电源的瞬态到可接受的水平。

线性稳压器会在启动之后非常短的时间内提供一个稳定的输出轨。但是，假若处理器或FPGA在启动期间，力图获得比线性稳压器给出的更多电流，则电压轨将下降。这就是为什么在用线性稳压器时，实现软启动功能需要外加的外部电路(图2)。
 
图2 软启动实现电路

用开关稳压器供电微处理器和FPGA的最大优点是效率和容易实现软启动功能。绝大多数专用降压变换开关稳压器，都有一个专用软启动引脚，内置软启动功能。通过连接到软启动引脚的电容器，使能开关稳压器中的软启动功能。此电容器决定器件中的电流源达到最大电压电平的时间。

用PMU为应用处理器供电

当今应用处理器需要分开的电源为芯核、I/O、存储器和外设供电。应用处理器需要多电源电压，用芯核电源管理器和系统结构可使这些电源电压最佳化。灵活的PMU(电源管理单元，如NS公司的LP3971PMU)，能满足应用处理器宽范围的要求。LP3971PMU有5个低压降稳压器(LDO)和3个降压稳压器(BUCK)，它与应用处理器的连接图示于图3。图3中的LDO直接连接锂离子电池。对于图3这种配置LDO5的效率为：
 
图3 LDOs直接连接到主电池

 图4 LDOs直接连接到VCC-MEM

效率(%)=((Vout×Iout)/Vin×(Iout+Iq))×100
对于40mA的Iq与400mA的Iout相比是非常小的，可忽略不计，因此，上式变为：
效率(%)=((Vout)/(Vin) )×100
对于Vin=4.2V和Vout=1.5V，LDO效率