大规模现场可编程门阵列（FPGA）开发系统电源设计研究

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。

表1 FPGA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FET