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入門:FPGA的電源要求是什么?

2023-02-19
來源:羅姆
關鍵詞: 轉換器 FPGA

  ROHM擁有各種各樣的DC/DC轉換器IC,其中包括適合用于FPGA電源的產品陣容。這里列舉的8種機型,可滿足FPGA需要的電源規格,也提供參考設計。我們就該FPGA用降壓型DC/DC轉換器系列的性能以及特征采訪了ROHM的應用工程師柴戸孝信(Shibako Takanobu)先生。

  -FPGA用降壓型DC/DC轉換器IC,最初定義為“FPGA用”,是否因為這是具有特別功能的IC?

  基本上是通用的降壓型DC/DC轉換器IC,但這個系列的性能以及特征可以滿足FPGA的電源規格。例如,可供給1.5V/1A輸出的DC/DC轉換器有很多,但未必都適合用于FPGA電源。

  -那么,在談DC/DC轉換器的話題前,可以請您介紹一下FPGA的電源要求嗎?

  好的!我覺得這樣更容易理解該DC/DC轉換器系列被定義為“FPGA用”的原因。說到FPGA,制造商有很多,功能以及構成也各式各樣。在這里希望大家了解的是相比之下多功能、高性能、中等以上規模的FPGA。例如,賽靈思公司的7系列以及Altera公司的Stratix等。

  首先可以說是其最大特征的是,電源電壓分為內核用、I/O用、各功能塊用等多種電壓,需要5種左右甚至更多的電源。并且,有電源的啟動時間及順序等時序的要求。近年來有緩和傾向,但是如果不遵守該要求事項的話,會出現無法正常工作,或FPGA損壞等情況。

  接下來談一下FPGA制造工藝的微細化。隨著微細化的發展,例如,被稱為內核電壓的電源電壓低至1V左右,呈低電壓化的趨勢,相反電源有電流變大的傾向。其他電源電壓也基本為1.8V或2.5V等幾乎都在3.3V以下的低電壓。

  -據說CPU也呈現電源的低電壓大電流化趨勢,可以認為這兩者是相同情況嗎?

  我覺得基本上是相同的。只是,FPGA的電源數要多得多。

  -還有其他特征嗎?

  除多電源和低電壓大電流外,電壓精度也傾向于越來越嚴格。例如,內核電壓中出現1V±3%這種級別。

  -±3%有那么嚴格嗎?我還以為俗稱“系統電壓”的5V/3.3V的標準精度是±5%。

  以±3%為例,按實際的容許差來考慮,1V的±3%為±30mV。3.3V的±3%為±99mV,當然,電壓變低后,容許差的絕對電壓也變小。開關電源的輸出電壓中有紋波電壓。輸出紋波電壓是按輸出紋波電流與輸出電容器的ESR的積發生的電壓,與輸出電壓無關,與輸出紋波電流的大小成正比。由于輸出電壓精度中包含紋波電壓,因此在低電壓大電流條件下,紋波電壓變大后要保持容許差很困難。

  還有其他一些影響輸出電壓精度的因素。負載瞬態,也就是說由于輸出電流的急劇變動,輸出電壓的變動也相當大。FPGA的負載變動相當活躍。特別是,從休眠狀態喚醒時的負載變動相當大。

  還有,負載電流(電源的輸出電流)變大后,PCB板布線的電阻帶來的電壓降變大,與電源的輸出引腳電壓不同,FPGA的電源引腳電壓變小。這雖不是電源的性能問題,但從對負載元器件供應必要的電壓這個角度來看,是需要在電源端解決的問題。

  最后,低噪聲也是相當重要的。以低電壓進行數百MHz頻段的工作與通信。電源的噪聲不但會使S/N劣化,也可能導致元器件無法正常工作。

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  -FPGA電源應該考慮的要點有很多啊。可以請您總結一下要點嗎?

  FPGA的電源要求事項主要是:1) 電源電壓為多種;2) 電源時序;3) 低電壓大電流;4) 電壓精度要求嚴格(包括紋波、負載瞬態引起的變動,PCB板布線電阻引起的電壓降等);5) 低噪聲。當然,個別FPGA的電源要求更細。

  -綜上所述,說白了達到這些要求是作為FPGA電源的條件。

  的確如此。也就是所作為電源,要“低電壓大電流條件下實現高電壓精度、低噪聲”,說實話這是相當不容易的課題。



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