FPGA学习：电源电路设计
与任何电子元器件一样，fpga器件需要有电源电压的供应才能工作。尤其对于规模较大的器件，其功耗也相对较高，其供电系统的好坏将直接影响到整个开发系统的稳定性。所以，设计出高效率、高性能的fpga供电系统具有极其重要的意义。
不同的fpga器件、不同的应用方式会有不同的电压电流的需求。如图2.4所示，简单的归纳，可以将fpga器件的电压需求分为三类：核心电压、i/o电压和辅助电压。
图2.4 fpga器件的供电电压
核心电压是fpga内部各种逻辑电路正常工作运行所需要的基本电压，该电压用于保证fpga器件本身的工作。通常选定某一款fpga器件，其核心电压一般也都是一个固定值，不会因为电路的不同应用而改变。核心电压值可以从官方提供的器件手册中找到。
i/o电压顾名思义便是fpga的i/o引脚工作所需的参考电压。在引脚排布上，fpga与asic最大的不同，便是fpga所有的可用信号引脚基本都可以作为普通i/o使用，其电平值的高低完全由器件内部的逻辑决定。当然了，它的高低电平标准也受限于所供给的i/o电压。任何一片fpga器件，它的i/o引脚通常会根据排布位置分为多个bank。同一个bank内的所有i/o引脚所供给的i/o电压是共用的，可以给不同的bank提供不同的i/o电压，它们彼此是不连通的。因此，不同bank的不同i/o电压为fpga器件的不同接口应用提供了灵活性。这里举一个例子，cyclone iv系列器件的某些bank支持lvds差分电平标准，此时器件手册会要求设计者给用于lvds差分应用的bank的i/o电压供2.5v电压，这就不同于一般的lvttl或lvcoms的3.3v供电需求。而一旦这些用于lvds传输的i/o bank电压供给为2.5v，那么它就不能作为3.3v或其他电平值标准传输使用了。
除了前面提到的核心电压和i/o电压，fpga器件工作所需的其它电压我们通常都称为辅助电压。例如fpga器件下载配置所需的电压，当然了，这里的辅助电压值可能与核心电压值或i/o电压值是一致的。很多fpga的pll功能块的供电会有特殊要求，也可以认为是辅助电压。由于pll本身是模拟电路，而fpga其他部分的电路基本是数字电路，因此pll的输入电源电压也很有讲究，需要专门的电容电路做滤波处理，而它的电压值一般和i/o电压值不同。此外，例如cyclone v gx系列fpga器件带高速gbit串行收发器，通常有额外的参考电压；max10系列器件的adc功能引脚电路也需要额外的参考电压；一些带ddr3控制器功能的fpga引脚上通常也有专门的参考电压……诸如此类的参考电压我们都可以归类为fpga的辅助供电电压，在实际电源电路连接和设计过程中，都必须予以考虑。
目前比较常见的供电解决方案主要是ldo稳压器、dc/dc芯片或电源模块。ldo稳压器具有电路设计简单、输出的电源电压纹波低的特点，但是它的一个明显劣势是效率也很低；而基于dc/dc芯片的解决方案能够保证较高的电源转换效率，散热容易一些，输出电流也更大，是大规模fpga器件的最佳选择；而电源模块简单实用并且能够有更稳定的性能，只不过价格通常比较昂贵，在成本要求不敏感的情况下，是fpga电源设计的一种最为简单快捷的解决方案。以笔者多年的经验来看，在ldo稳压器、dc/dc芯片或电源模块的选择上，一般遵循以下原则：
●电流低于100ma的电压可以考虑使用ldo稳压器产生，因为电路简单、使用元器件少、pcb面积占用小，且成本也相对低廉。
●对电源电压的纹波极为敏感的供电考虑使用ldo，如cmos sensor的模拟供电电压、adc芯片的参考电压等。
●除了上述情况，一般电流较大、对电源电压纹波要求不高的情况，都尽量考虑使用dc/dc电路，毕竟它能够提供大电流供电，且提供最好的电源转换效率。
●对于电源模块，笔者见到最多的是军工等成本不敏感、板级pcb空间较大的应用中使用，它其实是ldo稳压器和dc/dc电路优势的整合。
通常而言，对于fpga器件的电源方案的选择以及电源电路的设计，一定要事先做好前期的准备工作，如以下几点是必须考虑的：
●器件需要供给几档电压，压值分别是多少？
●不同电压档的最大电流要求是多少？
●不同电压档是否有上电顺序要求？（大部分的fpga器件是没有此项要求的）
●电源去耦电容该如何分配和排布？
●电源电压是否需要设计特殊的去耦电路？
关于设计者需要确定的各种电气参数以及电源设计的各种注意事项，其实在器件厂商提供的器件手册（handbook）、应用笔记（application notes）或是白皮书（white paper）中一般都会给出参考设计。所以，设计者若希望能够较好的完成fpga器件的电源电路设计，事先阅读大量的官方文档是必须的。
说到电源，也不能不提一下地端（gnd）电路的设计，fpga器件的地信号通常是和电压配对的。一般应用中，统一共地连接是没有问题的，但也需要注意特殊应用中是否有隔离要求。fpga器件的引脚引出的地信号之间通常是导通的，当然也不能排除有例外的情况。如果漏接个别地信号，器件通常也能正常工作，但是笔者也遇到过一些特殊的状况，如altera的cyclone iii器件底部的中央有个接地焊盘，如果设计中忽略了这个接地信号，那么fpga很可能就不干活了，因为这个地信号是连接fpga内部的很多中间信号的地端，它并不和fpga的其它地信号直接导通。因此，在设计中也一定要留意地信号的连接，电源电路的任何细小疏忽都有可能导致器件的罢工。
在我们所设计的这个实验平台上，如图2.5所示，由pc的usb端口进行供电，通常可以提供5v/0.5a的电压和电流。5v电压输入到两个dc/dc电路分别产生3.3v和1.2v的电压，dc/dc芯片支持的最大电流可以达到3a，当然我们的fpga器件实际上根本不需要这么大的电流。之所以采用dc/dc电路产生3.3v和1.2v电压，是考虑到3.3v是fpga的i/o电压，也是板上大多数外设的供电电压，它的电流相对较大；而1.2v是fpga器件的核电压，电流也较大；因此，它们使用dc/dc电路更合适，既可以保证较大电流需求，也能够实现更好的电源转换效率。而2.5v电压使用3.3v转2.5v的ldo电路，是由于2.5v仅仅只是fpga的下载配置电路使用，电流相对较小，它对转换效率要求也不高，使用简单的ldo电路来得更“经济实惠”一些。
图2.5电源电路示意图
如图2.6所示，这是电源电路的layout示意图，为了获得更大的电流供给能力、更高的电源转换效率，我们只能不惜使用更多的分离元器件和更大的布板空间来“妥协”。
图2.6 电源电路的layout
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核心电压是fpga内部各种逻辑电路正常工作运行所需要的基本电压，该电压用于保证fpga器件本身的工作。通常选定某一款fpga器件，其核心电压一般也都是一个固定值，不会因为电路的不同应用而改变。核心电压值可以从官方提供的器件手册中找到。
i/o电压顾名思义便是fpga的i/o引脚工作所需的参考电压。在引脚排布上，fpga与asic最大的不同，便是fpga所有的可用信号引脚基本都可以作为普通i/o使用，其电平值的高低完全由器件内部的逻辑决定。当然了，它的高低电平标准也受限于所供给的i/o电压。任何一片fpga器件，它的i/o引脚通常会根据排布位置分为多个bank。同一个bank内的所有i/o引脚所供给的i/o电压是共用的，可以给不同的bank提供不同的i/o电压，它们彼此是不连通的。因此，不同bank的不同i/o电压为fpga器件的不同接口应用提供了灵活性。这里举一个例子，cyclone iv系列器件的某些bank支持lvds差分电平标准，此时器件手册会要求设计者给用于lvds差分应用的bank的i/o电压供2.5v电压，这就不同于一般的lvttl或lvcoms的3.3v供电需求。而一旦这些用于lvds传输的i/o bank电压供给为2.5v，那么它就不能作为3.3v或其他电平值标准传输使用了。
除了前面提到的核心电压和i/o电压，fpga器件工作所需的其它电压我们通常都称为辅助电压。例如fpga器件下载配置所需的电压，当然了，这里的辅助电压值可能与核心电压值或i/o电压值是一致的。很多fpga的pll功能块的供电会有特殊要求，也可以认为是辅助电压。由于pll本身是模拟电路，而fpga其他部分的电路基本是数字电路，因此pll的输入电源电压也很有讲究，需要专门的电容电路做滤波处理，而它的电压值一般和i/o电压值不同。此外，例如cyclone v gx系列fpga器件带高速gbit串行收发器，通常有额外的参考电压；max10系列器件的adc功能引脚电路也需要额外的参考电压；一些带ddr3控制器功能的fpga引脚上通常也有专门的参考电压……诸如此类的参考电压我们都可以归类为fpga的辅助供电电压，在实际电源电路连接和设计过程中，都必须予以考虑。
目前比较常见的供电解决方案主要是ldo稳压器、dc/dc芯片或电源模块。ldo稳压器具有电路设计简单、输出的电源电压纹波低的特点，但是它的一个明显劣势是效率也很低；而基于dc/dc芯片的解决方案能够保证较高的电源转换效率，散热容易一些，输出电流也更大，是大规模fpga器件的最佳选择；而电源模块简单实用并且能够有更稳定的性能，只不过价格通常比较昂贵，在成本要求不敏感的情况下，是fpga电源设计的一种最为简单快捷的解决方案。以笔者多年的经验来看，在ldo稳压器、dc/dc芯片或电源模块的选择上，一般遵循以下原则：
●电流低于100ma的电压可以考虑使用ldo稳压器产生，因为电路简单、使用元器件少、pcb面积占用小，且成本也相对低廉。
●对电源电压的纹波极为敏感的供电考虑使用ldo，如cmos sensor的模拟供电电压、adc芯片的参考电压等。
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图2.5电源电路示意图
如图2.6所示，这是电源电路的layout示意图，为了获得更大的电流供给能力、更高的电源转换效率，我们只能不惜使用更多的分离元器件和更大的布板空间来“妥协”。
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