利用WEBENCH设计FPGA（现场可编程门阵列）电源

现代FPGA可能有很多的负载，这些负载会使得供电电源的设计很复杂。除了电压和电流的要求外，每个负载在纹波电压、噪音过滤、电源隔离和软启动等方面都有详细要求。由于负载的高电流需求，通常都会要求使用高效直流/直流开关电源，但必须对噪声和电压纹波加以控制。选择的电源结构可能在输入电源和负载稳压器间引入一个或多个中间电压轨。中间电压轨和负载稳压器的选择会影响整个电源系统设计的效率、占位面积和成本。此外，为达到整体设计目标，可对各独立电源进行优化。本文对FPGA电源设计的利弊加以研究，同时也给出了一些采用WEBENCH®FPGA Power Architect电源结构工具设计的不同的应用案例。

FPGA要求

在设计开始之前，我们需要先确定FPGA电源的一些要求。因为涉及到了许许多多的资料文件，这个过程可能会有些困难。表1总结了一些主要的FPGA电源规格。

规格	信息源	问题	解决方案
电流	功率估算电子数据表，功率仿真器	电源的尺寸，效率/温度，成本	电源开关频率，元件优化
电压	FPGA数据表，引脚说明文件	元件容限/值，直流纹波，交流/瞬态正/负尖峰	紧密度容限元件，低ESR输出电容，临界阻尼控制回路，系统仿真
噪声	FPGA数据表注释和脚注	开关噪声，负载间的交叉调节	开关阻尼器，噪声滤波器，独立电源
测序，启动特性	FPGA数据表注释和脚注	闭锁，浪涌电流	软启动，测序集成电路（芯片）

表1-供电电源主要FPGA规格

为了确定每个负载的电流，大多数FPGA生产商都会提供电源估算电子数据表。根据FPGA内使用的电源，就可以计算出功耗和负载电流。亦可使用FPGA仿真生产商提供的负载仿真器。在估计出负载电流后，需要增加25%或更高的附加安全裕度。

另外一个要求是各种负载的电压规格。在FPGA数据表里电压规格可能只是粗略的最大和最小电压值。然而，从电源看，这包括几个因素，如电源中的反馈电阻网络、电阻器容差以及稳压器的反馈基准容差所导致的偏置。

同时，要考虑到开关稳压器纹波因素，它由稳态或直流纹波以及瞬态正、负脉冲信号组成。此外，还有可能出现高频（10MHz或以上）开关噪声。

图1所示的是一个典型开关电源的WEBENCH FPGA Power Architect电源结构软件的负载瞬态仿真波形。不同元件都包含一个输出电压（Vout）偏置，稳态波纹和瞬态正/负脉冲信号。对如锁相环路(PLL)之类的敏感负载来说就可能需要一个独立滤波器来降低纹波。另外还需考虑是可否将各个独立负载集成为一个电源，这样就可以降低成本；或将噪音敏感的负载根据要求分隔开来。可使用软启动达到定序的目的，以保证一路电源在另外一路电源之前接通，避免闭锁；同时可以限制浪涌电流，保证电压的稳定上升。

总之，收集FPGA的各种规格参数需要对大量的资料文件进行研究，并要留意表格底部的注释说明。

根据用户选择的不同FPGA产品，采用如WEBENCH FPGA Power Architect电源结构设计工具，因为其可保存之前的参数信息，即可简化设计流程。

图1-用于开关电源的WEBENCH FPGA电源结构负载瞬态仿真，示意了对于输出电压规格预算值的不同影响
电源结构

一旦确定了电源的有关要求，就须确定电源树的结构。在直流电源和负载稳压器间使用一个或者多个中间电压轨可能是有利的。
这样做的一个原因是，仅有一个稳压器要求高电压元件；而这样的电压元件往往价格昂贵，体积也更大。
另外的原因是使用一个好的高端MOSFET的同步降压稳压器，在占空比较高的情况下，往往运行效率更高。
这样，使用一个外部中间稳压器去降低输入电压会更有效。

图2所示具有相同输入和负载的几个中间电压轨配置的WEBENCH FPGA Power Architect电源结构示例。可以看到，没有中间电压轨的设计，尽管其稳压器的数目最小，但是产品的占位面积最大，效率也最差。具有一个12V 和一个5V接近于负载电压点的中间电压轨设计，其效率最高，占位面积也最小。

图2—WEBENCH FPGA电源结构示意了不同的电源结构曲线，及效率、占位面积大小和成本间的权衡。X轴是效率，Y轴是占位面积大小，圆直径所示的是材料清单（BOM）的成本。

权衡

我们已经对系统结构有所了解，现在我们讨论如何对单个开关电源设计进行优化来达到占位面积小、效率高、成本低的设计目标。

其中一个要点就是开关频率。在高频下，由于开关导通时间减少，可以使用一个更小的电感器。这样可以缩小产品的占位面积；然而，交流开关损耗的增加却会导致效率的降低。

因为元件往往占位面积越小也就更便宜，高频时成本会更低。相反，低开关频率会减小交流开关损耗，从而提高了效率；但是，这样就需要一个更大的电感来将峰值开关电流保持在限定值内，因此产品占位面积也随之增大。

更大的电感器也会增加成本。通过优化各个电源来实现整体目标，即可对整个FPGA电源系统进行最优调制。图3所示为一个不同FPGA电源解决方案的WEBENCH FPGA Power Architect电源结构曲线，包括优化和系统级结构的调整。

系统效率范围是在84%到94%之间，系统占位面积大小范围是在1.4cm2到6.4cm2，整个系统材料清单成本是在$14.08到$31.53之间。此类可视化操作帮助电源设计师们可以选择最好的系统方案来达到期望目标。

图3—不同的FPGA电源系统在成本、效率和占位面积间的权衡。
由此可以看出，FPGA电源设计的复杂程度非常高，使用像WEBENCH FPGA Power Architect电源结构之类的设计工具可以极大的简化设计过程。

在配置FPGA负载前进行优化，可以在研究其电源需求时节省大量时间。

前期分析和仿真可以提供一个优化的FPGA电源设计，可使得设计师在产品占位面积大小、效率和成本方面达到设计要求，同时缩短产品的上市时间。