FPGA器件的负载点解决方案

在这篇技术文章中，Aimtec公司将研究现代电源架构如何帮助解决这些挑战，并讨论如何选择电源模块。本文还将考虑设计与购买这些模块化解决方案哪种更好。

现代电源架构及向中间总线的过渡

在早期的系统中，大多数半导体采用5V供电，电源通常只是一个单元，有时带有多个电压轨，以便适应多个模拟器件，并通过布线将电能分配到系统各处。可靠性至关重要的系统有时会以冗余配置的方式集成两个(或多个)电源。

大约25年前，半导体电压开始向更低的电压迁移，并且随着电信系统的普及，基于电池电压的48V供电变得越来越普遍。这时候就形成了分布式电源架构(DPA)的概念，这种架构解决了先前方法的一些缺点。

采用高压总线(通常为48V)局部供电的电源转换器称为“砖”，这种转换器可以执行所需的逻辑电平转换。随着总线电压提高十倍，电流成比例地减小，损耗也减小了电流降的平方。这种显著的减少使得可以使用更细的电线，从而降低了系统成本和重量，同时仍然提高整体效率。

DPA的主要缺点是每个电源“砖”都包含隔离，这会降低效率，并增加尺寸、成本和复杂性。随着大多数DPA系统都使用了好几个砖，这个问题就变得非常重要。

图1：DPA和IBA的比较

DPA的修改版——中间总线架构(IBA)——可执行从48V到半稳定局部总线的转换(尽管可使用多种电压，但通常为12V)，从而解决这一问题。这些中间总线转换器(IBC)可以提供隔离，并接入多个非隔离转换器，从而执行到半导体所需逻辑电平的转换。

这种转换器由于放置在它们所供电负载的附近，因此被称为负载点(PoL)转换器。这样可以最大程度地减少大电流走线的长度，减少损耗，并提高对负载波动的快速响应。

现代FPGA的电源需求

通常，FPGA需要提供若干严格稳压的不同电压轨，并辅以上电时序，从而确保实现可靠的操作并避免损坏。需要供电的地方包括内核、输入/输出和任何辅助功能。

内核所需的电压通常在0.9V和1.2V之间，并且容差为5%(有时以毫伏表示)，而I/O的电压取决于所使用的数字I/O逻辑。一个系统中可以有多个I/O电压。辅助电压通常为2.5V，但是视具体的FPGA情况不同，范围可能在0.9V至3.3V之间。为了不影响敏感电路，这个电源轨通常会设置滤波电路，以便消除任何纹波。