成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電路與系統(tǒng)專業(yè) 陳飛洋

Xilinx Kintex-7 FPGA電源方案設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電路與系統(tǒng)專業(yè) 陳飛洋

FPGA（Field-Programmable Gate Array）作為一種現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件，在過去幾十年中從電子系統(tǒng)的外圍單一的功能器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心器件。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA器件的性能和功能有了飛躍的發(fā)展及突破。FPGA器件向著更高密度、高速度、高帶寬、低電壓、低功耗、IP軟/硬件核復(fù)用、片上系統(tǒng)集成等發(fā)展。伴隨著越來越復(fù)雜的電源電壓軌需求。為了使FPGA器件可靠、穩(wěn)定的工作，其需要更加良好、可靠的電源管理系統(tǒng)。以Xilinx Kintex-7 FPGA芯片為例設(shè)計(jì)一種較方便、可靠、穩(wěn)定的電源方案設(shè)計(jì)。

1.FPGA的電源需求分析

1.1 FPGA的電源電壓軌需求分析

Kintex-7 FPGA是Xilinx較高端器件，采用28nm工藝，邏輯資源非常豐富，IO口資源豐富，內(nèi)核電源電壓低至1V[1]，IO接口可以根據(jù)外設(shè)不同電壓，將每個(gè)Bank供不同電壓軌。所以一般外設(shè)器件功能較多的情況下，F(xiàn)PGA電源電壓軌需求種類相對(duì)較多。

1）VCCINT：內(nèi)核電壓，是由器件的所用的材料工藝所決定的，隨著工藝的提升，內(nèi)核電壓越來越低，Kintex-7的內(nèi)核電壓為1V。

2）VCCBRAM：RAM塊電壓，是專門給FPGA內(nèi)部RAM塊供電的，一般情況下與內(nèi)核是同一路電壓軌，采用1V供電。

3）VCCAUX：輔助電壓，F(xiàn)PGA需要一路輔助的電源電壓，向內(nèi)部的其他功能供電。常常都用1.8V供電。

4）VCCO：接口電壓與FPGA的Bank電壓是有關(guān)系的、根據(jù)外圍器件的接口電平的電壓軌的不同，提供不同的電壓；IO典型電壓：3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.35V（其中1.5V一般是用于DDR3接口電平、如果是為了降低功耗。也采用1.35V的DDR3接口標(biāo)準(zhǔn)的電平）。

5）VMGTAVCC：給GTX收發(fā)器及QPLL等供電，電壓為1V。6）VMGTAVTT：給GTX收發(fā)器的端接電路供電，一般需要一路獨(dú)立的1.2V供電。

7）VMGTAVTTRCAL：給GTX發(fā)射器的電阻校準(zhǔn)電路供電，一般與VMGTAVTT是同一電壓軌。

8）VMGTVCCAUX：GTX的輔助電壓，一般與VCCAUX采用同一個(gè)電壓軌。

通過上面的分析，可以發(fā)現(xiàn)FPGA電源電壓的常見需求種類：3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.35V、1.2V、1V，可以高達(dá)7個(gè)電壓軌，往往是需求不了這么多電壓軌，但也5、6種之多，其中內(nèi)核電流還高達(dá)十幾個(gè)安培。

1.2 FPGA的電源功耗需求分析

Xilinx FPGA有一個(gè)專門用于功耗估計(jì)的軟件XPE（Xilinx Power Estimator），它可以很方便、快捷的估計(jì)FPGA每種電壓軌的電流的大小。

圖1 XC7K410TFFG900-XPE快速估計(jì)內(nèi)容

在圖1快速估計(jì)中，根據(jù)XC7K410T的內(nèi)部資源的使用比率，可以快速估計(jì)各個(gè)電壓軌的動(dòng)態(tài)功耗，方便快速設(shè)計(jì)和功耗估計(jì)。當(dāng)FPGA內(nèi)部邏輯資源占用到很高時(shí)，內(nèi)部的布線是很復(fù)雜的，必須要各種優(yōu)化，特別是速率高的時(shí)候，布線還要滿足一定的時(shí)序要求。所以LUT和FF都預(yù)設(shè)計(jì)為70%。接口預(yù)設(shè)計(jì)64位寬的DDR3L，數(shù)據(jù)速率為1600Mb/s；4路寬的GSMII的千兆以太網(wǎng)；PCIe GEN2 位寬為8X；LVDS設(shè)計(jì)100對(duì)，速度是400Mb/s。

圖2 XC7K410TFFG900-2I功耗估計(jì)

從圖2中可以看到FPGA的整體功耗大約是15.770W，內(nèi)核電流高達(dá)11.136A。其他的電壓都可以從圖中看到具體的需求參數(shù)。

2.FPGA電源設(shè)計(jì)的難題與考慮

1）電源電壓的大小隨尺寸的縮小而降低，紋波和噪聲的影響就更明顯；電源產(chǎn)品需要支持多種不同的輸出電壓。

2）數(shù)字IC在整個(gè)系統(tǒng)的功耗中占最大的百分比，穩(wěn)壓器需要具有較高的轉(zhuǎn)換效率以及散熱。

3）處理器的負(fù)載是動(dòng)態(tài)的，電源產(chǎn)品需要有精準(zhǔn)的輸出電壓和極好的暫態(tài)處理能力。

4）FPGA需要特定的上電和掉電順序，如不滿足則可能FPGA不能正常工作，更嚴(yán)重會(huì)大大縮短FPGA的使用壽命。

5）FPGA的每路電壓軌上電需要滿足一定的上電時(shí)間和間隔。

3.電源設(shè)計(jì)的解決方案

為了滿足以上條件：采用Linear（凌力特）的LTM4644是一款包含4路獨(dú)立電壓輸出，每路可提供4A電流DC/DC降壓μModule（微型模塊）。輸出可通過并聯(lián)形成一個(gè)陣列提供高達(dá)16A的電流能力。而且每路都有獨(dú)立的上電使能控制信號(hào)，上電良好（Power Good）輸出信號(hào)，上電時(shí)間確定。采用3片LTM4644能夠完全滿足電源電壓軌的。特點(diǎn)如下[3]：

● 4通道輸出，每路可以提供4A電流的降壓型穩(wěn)壓器；

● 輸入電壓范圍：4V～12V，如果采用外部偏置：2.375V～14V；

● 準(zhǔn)確度為±1.5%的總輸出電壓調(diào)節(jié)；

● 電流模式控制、快速瞬態(tài)響應(yīng)；

● 可通過并聯(lián)提供較高的電流輸出；

● 內(nèi)置溫度檢測(cè)二極管輸出；

● 過流、過壓和過熱保護(hù)。

FPGA的上電順序有兩個(gè)要求：①V→V→V→V→V[2]；

CCINTCCBRAMCCAUXCCAUX_IOCCO