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FPGA和ASIC的电源管理方案

时间:08-27 来源:互联网 点击:

系统的成本及效率产生负面影响。例如,小型电感的等效串联电阻(ESR)通常都比大型电感高,采用低外形设计的电感或电解电容一般都较为昂贵,多层电路板可以缩小体积,但一般来说也会增加整体成本。一些设计工程师可能会通过提高开关频率的方法来缩小元件尺寸,但开关频率的提高会增加功率损耗。

  系统成本

  为FPGA芯片提供最具成本效益的供电一直是设计工程师的目标,但将供电成本尽量降低并不表示要选用最廉价的稳压器。例如,内置FET的稳压器较为昂贵,因此设计工程师有时会不假思索地拒绝采用这类稳压器,但在某些应用情况下,这类稳压器比外置MOSFET的稳压器更具成本效益。另外,外置FET的稳压器对于来自电路板的噪音影响更加敏感,而简单的内置MOSFET的集成开关稳压器能够消除大多数的噪音敏感性问题。

  另一个例子是,应该采用双通道降压转换器取代两个单通道开关转换器。这样可以大大节省需要的输入电容数量,而且由于两个相位可以异相操作,因此输入电容的均方根(RMS)纹波电流可以大幅降低。如果多个非同步开关稳压器以略微不同的频率工作,就会产生拍频,而双相位控制器可以避免拍频。要知道,真正的成本是系统物料清单上所开列的成本,并不是个别元件的成本。

  瞬态响应

  在工作电流点上,FPGA的核心电压会产生极高的转换率。为此,控制器必须提供较大的阶跃负载电流,将输出电压的扰动减至最低。控制器对负载的响应能力被称为瞬态响应。瞬态响应会影响工作带宽、输出电容以及等效串联电阻。

  排序及跟踪

  系统启动时,可能需要某一电源在另一电源之前启动,如果顺序不正确,电源便会锁死,而FPGA可能会因此受损或发生故障。有些FPGA在输入/输出电压和核心电压之间具有排序及/或跟踪功能,几种不同的排序及跟踪方法如图3所示。如果稳压器已经集成有电源正常(power good)、使能(enable)、软启动及跟踪功能,便可简单灵活地实现排序及跟踪;若没有,便需增加外部电路以确保电源可以按照正确的顺序启动。


图3 排序及跟踪方案


  启动

  FPGA电压要求有一定的上升速率,这可以利用软启动电容实现。而且,启动时的上升电压一般都必须是单调的,不能下降。如果电源供应的输出电容较小,启动时的电压就会受其影响而下跌。容量足够大的电容可以储存充足的电荷,为FPGA芯片提供启动负载瞬态电压。

  同步

  同步功能的作用是确保两个或更多的稳压器可以一同被锁定在某一频率,以免出现拍频。

  结语

  由于不同的系统有不同的要求,再加上FPGA或ASIC的复杂性和利用率也不尽相同,因此,最佳的电源配置也各不相同。除了输入电压、输出电压及输出电流之外,也要考虑其他条件,如排序、跟踪及启动等的特别要求。另外,功耗、体积及成本也会对设计产生影响。

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