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大规模现场可编程门阵列（FPGA）开发系统电源设计研究
发布时间:2015-09-01 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]- 304
3 现有的FPGA电源解决方案
根据采塑封电感用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一体成型电感控制器，两者的差别主要是内部是一体电感器否集成FETs），电源模块。在选择方案时，要求设计者综合考虑系统要求，成本，效率，市场需要，设计灵活性及封装等众多因素。
3.1 LDO线性稳压器电源
LDO线性稳压器只适用于降压变换，具体效果与输入/输出电压比有关。从基本原理来说，LDO根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的电压不变。其变换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。如今很多厂商都有适合FPGA应用的低电压、大电流LDO芯片，比如TI的TPS755XX和TPS756XX系列为5A电流输出，TPS759XX系列为7.5A电流输出；Linear的LT1585/A系列为5A输出,LT1581为10A输出；National的LMS1585A系列也为5A输出，并与Linear的LT1585/A系列可以相互替换。LDO芯片所占面积仅为几个mm2，只要求外接输入和输出电容即可工作。由于采用线性调节原理，LDO本质上没有输出纹波。不过随着LDO的输入/输出电压差别增大或者输出电流增加，LDO的发热比也会按比例增大，所以，对散热控制方面要求很高。图1以National的LMS1585A为例的LDO稳压器的典型设计电路，LMS1585A系列有三种大功率电感贴片电感器型号，分别为1.5V，3.3V和可调电压输出，最大输出电流均为5A。
(a) 3.3/1.5 V固 定 输 出
(b) 可 调 电 压 输 出
图 1 LDO稳 压 器 的 典 型 设 计 电 路
3.2 DC/DC调整器电源
DC/DC调整器利用了磁场储能，无论升压、降压还是两者同时进行，都可以实现相当高的变换效率。与线性稳压（LDO）相比，尽管它要求更大的电路板面积，但对于FPGA这种需要大电流的应用来说却十分理想。由于变换效率高，因此发热很小，这也使得散热处理得以简化。特别是，与LDO器件相比，它常常不需要附加一个成本较高、面积较大的散热器。考虑到DC/DC调整器集成有FETs，使用时只需外接一个电感和必不可少的输入、输出电容，故可以使整个解决方案的空间利用率大大提高。由于是开关稳压器电源，与线性稳压器电源（LDO）相比，DC/DC调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较慢、容易产生电磁干扰（EMI)。要取得低纹波、低EMI、低噪声的电源，关键在于电路设计，尤其是输入/输出电容、输出电感的选择和布局，都有相当的讲究。目前不少IC厂家都有这种适合FPGA应用的大电流DC/DC调整器芯片，最大输出电流达到了9A，比如Elantec的EL7556BC为6A输出，EL7558BC为8A输出；TI的TPS5461X系列为6A输出，TPS54873为9A输出。本文第4部分将以TI的TPS5461X系列为例介绍DC/DC调整器电源设计的实例，参见图4。
3.3 DC/DC控制器电源
DC/DC控制器和DC/DC调整器的差别主要是没有内置的FETs，因此，它能够保证设计有很大的灵活性，设计者可以选用有特定导通电阻的外接FET晶体管，并根据应用的需要调整电流限。这在需要十几甚至几十A电流的特大规模FPGA开发系统中非常有用。与DC/DC调整器相比，采用这种方案设计，既要选择适当的输入/输出电容、输出电感，又要选择符合要求的FET，增加了设计难度和总成本。此外，由于FET外置，占用空间也相对较大。目前DC/DC控制器芯片市场上非常多，比如TI，Linear，Maxim，National等公司都有相应的产品，规格也相当全，仅Maxim一家就有数十种此类产品，设计者可以根据自己的需求选择合适的芯片。图2以Maxim的MAX1961为例，描述了DC/DC控制器电源设计的典型电路。MAX1961输入电压为2.35V到5.5V；有耦合电感4个预设的输出电压（1.5V，1.8V，2.5V和3.3V)，偏差低于0.5％；输出电流最高可达20A。
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