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電源電路 本文節(jié)選自特權(quán)同學的圖書《FPGA設計實戰(zhàn)演練（邏輯篇）》 配套例程下載鏈接：http://pan.baidu.com/s/1pJ5bCtt “神說，看哪，我將遍地上各樣結(jié)種子的菜蔬，和各樣結(jié)有核果子的樹，賜給你們作食物。至于地上各樣的走獸和空中各樣的飛鳥，并各樣爬在地上有生命的物，我將青草賜給它們作食物；事就這樣成了。” ——引自《圣經(jīng)》創(chuàng)世記 的確，自然界的任何生物體都需要有能量的供應，人需要吃飯喝水、花草樹木需要陽光雨露、鳥獸蟲魚也都有可食之物。人工智能也是如此，爐灶需要煤氣、汽車需要加油、亮燈需要供電……小小的芯片工作起來也是離不開能量的供給。（特權(quán)同學，版權(quán)所有） FPGA器件需要有電源電壓的能量供應才能工作。尤其對于規(guī)模較大的器件，其功耗也相對較高，其供電系統(tǒng)的好壞將直接影響到整個開發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，設計出高效率、高性能的FPGA供電系統(tǒng)具有極其重要的意義。（特權(quán)同學，版權(quán)所有） 不同的FPGA器件、不同的應用方式會有不同的電壓電流的需求。如圖3.4所示，簡單的歸納，可以將FPGA器件的電壓需求分為三類：核心電壓、I/O電壓和輔助電壓。（特權(quán)同學，版權(quán)所有） 
圖3.4 供電電壓 核心電壓是FPGA內(nèi)部各種邏輯電路正常工作運行所需要的基本電壓，該電壓用于保證FPGA器件本身的工作。通常選定某一款FPGA器件，其核心電壓一般也都是一個固定值，不會因為電路的不同應用而改變。核心電壓值可以從官方提供的器件手冊中找到。（特權(quán)同學，版權(quán)所有） I/O電壓顧名思義便是FPGA的I/O引腳工作所需的參考電壓。在引腳排布上，F(xiàn)PGA與ASIC最大的不同，便是FPGA所有的可用信號引腳基本都可以作為普通I/O使用，其電平值的高低完全由器件內(nèi)部的邏輯決定。當然了，它的高低電平標準也受限于所供給的I/O電壓。任何一片F(xiàn)PGA器件，它的I/O引腳通常會根據(jù)排布位置分為多個bank。同一個bank內(nèi)的所有I/O引腳所供給的I/O電壓是共用的，可以給不同的bank提供不同的I/O電壓，它們彼此是不連通的。因此，不同bank的不同I/O電壓為FPGA器件的不同接口應用提供了靈活性。這里舉一個例子，Cyclone III系列器件的某些bank支持LVDS差分電平標準，此時器件手冊會要求設計者給用于LVDS差分應用的bank的I/O電壓供1.5V電壓，這就不同于一般的LVTTL或LVCOMS的3.3V供電需求。而一旦這些用于LVDS傳輸?shù)腎/O bank電壓供給為1.5V，那么它就不能作為3.3V或其他電平值標準傳輸使用了。（特權(quán)同學，版權(quán)所有） 除了前面提到的核心電壓和I/O電壓，F(xiàn)PGA器件工作所需的其它電壓我們通常都稱為輔助電壓。例如FPGA器件下載配置所需的電壓，當然了，這里的輔助電壓值可能與核心電壓值或I/O電壓值是一致的。很多FPGA的PLL功能塊的供電會有特殊要求，也可以認為是輔助電壓。由于PLL本身是模擬電路，而FPGA其他部分的電路基本是數(shù)字電路，因此PLL的輸入電源電壓也很有講究，需要專門的電容電路做濾波處理，而它的電壓值一般和I/O電壓值不同。（特權(quán)同學，版權(quán)所有） 目前比較常見的供電解決方案主要是LDO穩(wěn)壓器、DC/DC芯片或電源模塊。LDO穩(wěn)壓器為電流輸出要求不高的應用提供了簡單廉價的解決方案；而基于DC/DC芯片的解決方案能夠保證較高的電源轉(zhuǎn)換效率，散熱容易一些，輸出電流也更大，是大規(guī)模FPGA器件的最佳選擇；而電源模塊簡單實用并且能夠有更穩(wěn)定的性能，只不過價格通常比較昂貴，在成本要求不敏感的情況下，是FPGA電源設計的一種最為簡單快捷的解決方案�？偠灾瑢τ陔娫捶桨傅倪x擇以及電源電路的設計，一定要事先做好前期的準備工作，如以下幾點是必須考慮的： ● 器件需要供給幾檔電壓，壓值分別是多少？ ● 不同電壓檔的最大電流要求是多少？ ● 不同電壓檔是否有上電順序要求？（大部分的FPGA器件是沒有此項要求的） ● 電源去耦電容該如何分配和排布？ ● 電源電壓是否需要設計特殊的去耦電路？ 關于設計者需要確定的各種電氣參數(shù)以及電源設計的各種注意事項，其實在器件廠商提供的器件手冊（handbook）、應用筆記（application notes）或是白皮書（white paper）中一般都會給出參考設計。所以，設計者若希望能夠較好的完成FPGA器件的電源電路設計，事先閱讀大量的官方文檔是必須的。（特權(quán)同學，版權(quán)所有） 說到電源，也不能不提一下地端（GND）電路的設計，F(xiàn)PGA器件的地信號通常是和電壓配對的。一般應用中，統(tǒng)一共地連接是沒有問題的，但也需要注意特殊應用中是否有隔離要求。FPGA器件的引腳引出的地信號之間通常是導通的，當然也不能排除有例外的情況。如果漏接個別地信號，器件通常也能正常工作，但是筆者也遇到過一些特殊的狀況，如Altera的Cyclone III器件底部的中央有個接地焊盤，如果設計中忽略了這個接地信號，那么FPGA很可能就不干活了，因為這個地信號是連接FPGA內(nèi)部的很多中間信號的地端，它并不和FPGA的其它地信號直接導通。因此，在設計中也一定要留意地信號的連接，電源電路的任何細小疏忽都有可能導致器件的罷工。（特權(quán)同學，版權(quán)所有） |
