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工程师:如何为FPGA设计一个电源系统?

导读: 为现场可编程门阵列(FPGA)设计电源系统可不是件容易的工作。FPGA是高度可配置的半导体器件,这种器件在大量应用和终端市场中使用。由于它们的高度可配置性,可以在它们周围放置不同的组件,形成最终系统设计。虽然可能会有数不尽的应用和系统,但是所有设计的一个共同特性就是它们全都需要电源。

  现场可编程门阵列(FPGA)是可以包括数千个典型的、可编程逻辑单元,一个由线和可编程开关的矩阵与单独的逻辑单元互连,典型的设计包括指定每个单元的简单逻辑功能和选择性地关闭互连矩阵中的开关。

  FPGA主要用于原型IC系统,当设计完成后,设计人员可以将逻辑转换为以更高速度工作的硬连接线IC,为了能正常工作,FPGA必须采用适当的电源管理技术。

  为现场可编程门阵列(FPGA)设计电源系统可不是件容易的工作。FPGA是高度可配置的半导体器件,这种器件在大量应用和终端市场中使用。常见示例包括通信、汽车、工业、医疗、视频和国防等应用。由于它们的高度可配置性,可以在它们周围放置不同的组件,形成最终系统设计。虽然可能会有数不尽的应用和系统,但是所有设计的一个共同特性就是它们全都需要电源。

  通常需要几个电压轨为FPGA供电。根据应用的不同,主输入电源可以采用背板电源、隔离电源、非隔离电源,甚至是电池供电的方式。这些主输入通常生成一个中间DC电压来为FPGA的主电压轨供电。这些中间电压通常为5V或12V的DC电压。表1和表2中列出了FPGA的某些典型电压轨、电压和容限值。

工程师经验谈:合适的FPGA电源的选择

  表1:Virtex 7FPGA的电源要求。

工程师经验谈:合适的FPGA电源的选择

  表2:Zynq 7000系列片上系统 (SoC) 的电源要求。

  为每个电压轨确定合适的电流电平是一件比较棘手的工作,原因在于电流的范围可以从几百毫安到60A,甚至更高。如果事先进行规划的话,情况就会完全不同,事先规划可以避免对电源轨的过度设计,从而避免花费太多,或者避免设计不充份,从而导致必须推倒重来等错误。FPGA销售商提供准确的工具,这款工具根据客户对FPGA的使用方式来估算出最差情况下的功耗。

  图1中显示的Xilinx功率估算器 (XPE),涵盖了数个Xilinx FPGA系列。借助于这款工具,客户可以选择正在使用的部件,并且输入时钟和配置信息,来确定电源需求,并且根据估算值来选择合适的器件。

工程师经验谈:合适的FPGA电源的选择

  图1:功率估算器工具。

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