关于FPGA供电


FPGA是一种多电源需求的芯片,主要有3种电源需求:

VCCINT:核心工作电压,PCI Express (PCIe) 硬核IP 模块和收发器物理编码子层(PCS) 电源。一般电压都很低,目前常用的FPGA都在1.2V左右。为FPGA的内部各种逻辑供电,电流从几百毫安到几安不等,具体取决于内部逻辑的工作时钟速率以及所占用的逻辑资源。对于这个电源来说,负载时一个高度容性阻抗,对电源的瞬态响应要求很高,而且由于驱动电压低工作电流大,对PCB的布线电阻非常敏感,需要特别注意走线宽度,尽可能减少布线电阻带来的损耗。

VCCA:通常为2.5V,PLL模拟电源。即使没有PLL,也必须要上电。模拟类的组件对电源的电源抑制比(PSRR)也就是电源噪声,或者说电源纹波非常敏感,所以通常会用一个独立的供电电源。这个电源的电流需求一般都不大,但对电源的噪声容忍度很低。所以应该尽可能的提高其电源纯净度。比如不直接用开关电源供电,先使用LDO稳压后再供给VCCA。

VCCD_PLL:通常为1.2V,PLL数字电源。

VCCIO:FPGA经常要与多种不同电平接口的芯片通信,所以通常都会支持非常多的电平标准。例如1.2,1.5,1.8,2.5,3.0,3.3。VCCIO就是为FPGA的I/O驱动逻辑供电。FPGA为了同时能和多种不同的电平标准接口芯片通信,Vcco通常以BANK为界,互相之间相互独立,也就是说在一颗FPGA芯片上同时存在几种不同的I/O电压。当然同一个BANK只能存在1种I/O电压。在使用中请详细阅读官方资料手册,以防设计错误。

在一些带收发器的FPGA器件中,还有以下几种电压标准:

VCC_CLKIN:支持1.2,1.5,1.8,2.5,3.0,3.3。主要为差分时钟输入管脚供电。

VCCH_GXB:2.5V,收发器输出(TX) 缓冲器电源。

VCCA_GXB:2.5V,收发器物理介质附加子层(PMA) 及辅助电源。

VCCL_GXB:1.2V,收发器PMA 及辅助电源。


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作者:杭州卿萃科技ALIFPGA

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### FPGA供电设计与解决方案 对于FPGA供电而言,电源管理至关重要。由于FPGA内部集成了大量逻辑单元和其他资源,在不同工作模式下电流需求变化很大,因此需要精心规划电源系统以确保稳定性和可靠性[^1]。 #### 电压轨的需求分析 现代FPGA通常需要多个独立的电压轨来支持不同的功能模块。这些电压轨主要包括核心电压(Vccint)、I/O接口电压(Vcco)、辅助电路电压以及配置闪存所需的特定电平。每种类型的电压都有其独特的电气特性要求和技术指标范围[^2]。 #### 设计考虑因素 为了实现高效可靠的供电架构,设计师应关注以下几个方面: - **瞬态响应能力**:当负载突然增加时,良好的瞬态性能可以防止电压跌落影响到芯片正常运行。 - **噪声抑制措施**:通过合理布局去耦电容并采用低阻抗路径连接各个节点,可有效减少电磁干扰带来的负面影响。 - **热管理和散热策略**:高功率密度下的温升可能会损害器件寿命甚至造成永久损坏;故而需评估功耗情况,并采取适当手段如加装散热片或风扇等进行降温处理[^3]. ```python # Python伪代码展示如何计算所需的最大电流值 def calculate_max_current(frequency, num_logic_blocks): """ 计算给定频率和逻辑块数量情况下可能达到的最大电流消耗 参数: frequency (float): 运行频率(Hz) num_logic_blocks (int): 使用中的逻辑块数目 返回: float: 预估最大电流(Amps) """ base_consumption_per_block = 0.005 # 基础单位mA/Logic Block @ 1MHz max_current = ((base_consumption_per_block * frequency / 1e6) * num_logic_blocks) return round(max_current, 4) print(calculate_max_current(100_000_000, 100)) ``` #### 解决方案建议 针对上述挑战,推荐如下几种方法组合使用: - 应用多相位降压转换器为内核提供稳定的低压大电流; - 对于外围设备则选用线性稳压源保证较低纹波水平; - 合理安排PCB布板位置使关键信号远离强磁场区域; - 定期监测实际操作条件调整参数设置优化整体表现[^4].
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