使用数字电源模块为 FPGA 供电

为 FPGA 提供负载点 (POL) 电源的电压输入轨的激增使电源设计更具挑战性。因此，封装电源模块在电信、云计算和工业设备中的使用越来越多，因为它们作为独立的电源管理系统运行。它们比分立式解决方案更易于使用，并且对于经验丰富的和新手电源设计人员来说都可以加快上市时间。模块包括所有主要组件——PWM 控制器、FET、电感器和补偿电路——只有创建整个电源所需的输入电容器和输出电容器。 

本文讨论 FPGA 参考设计生成器，并引导您完成为 POL 选择 FPGA、所需的电源轨、背板和数字电源模块的步骤。我们将重点介绍用于配置、验证和监控 FPGA 电源架构的图形用户界面 (GUI)，我们将解释 GUI 的排序功能，以便为电压轨加电，并选择电源顺序和上升和下降时间。

电源软件工具

FPGA 制造商提供各种工具，帮助在电源规划阶段估算电源需求。这些工具考虑了设备选择、架构评估和热建模，以得出估计的解决方案。例如，电源设计人员可以在预设计和预实现阶段使用Xilinx Power Estimator (XPE) 工具。然后，电源管理供应商从 XPE 中获取结果，并使用该信息为电源组件选择提供必要的指导。

由于可编程 FPGA 在规划阶段是一个变量，因此可以为根据 FPGA 利用率而变化的设备系列建立经验法则。低、中和高利用率估算值可以帮助确定这些条件下的电力需求。表 1 分解了 Virtex 7 FPGA 的低、中和高电流估计的功率要求。

表 1：Virtex 7 FPGA 的电源要求。

使用表 1 图表作为我们的指南，我们可以选择各种选项，例如模拟分立或模块解决方案以及数字分立或电源模块解决方案。FPGA Reference Design Generator等工具使您可以轻松地为目标 FPGA 硬件选择解决方案。只需选择 FPGA 供应商、FPGA 系列、当前要求、所需背板和感兴趣的解决方案。然后，该工具会提供与所需解决方案相关的所有必要设计资料，包括设计原理图、布局、BOM 和框图。 

 图 1： FPGA Reference Design Generator 为您的设计找到合适的 Intersil 功率器件。

对于高性能应用，您可能希望尽量减少花在电源上的时间，而将注意力集中在 FPGA 上开发应用。在高性能系统中，没有设置 FPGA 代码，FPGA 的解决方案代码通常会有所不同。使用基于模拟的电源解决方案，您的大部分时间将花在重新设计电感器以及重新计算补偿网络上，以保持电源的性能。计算当然需要时间，在某些情况下，这可能意味着重新设计电感器。此外，如果封装尺寸发生变化，您可能还需要花费额外的时间重新设计 PCB。使用一些数字解决方案，例如 ISL827xM，您不必重新设计电感器或重新计算补偿网络；

的电源 IC 供应商提供模拟和数字解决方案，包括电源模块，为您提供多种选择来评估权衡。例如，您可以为 Virtex 解决方案的固定轨选择ISL85003 3A 开关降压稳压器，然后使用数字电源模块来支持各种 Virtex 器件选项。在某些情况下，电源轨不仅为 FPGA 供电，还为应用中的其他设备供电。在我们的示例中，我们将为所有三个电压轨使用数字解决方案。我们将使用ISL8270M 25A 数字电源模块，并将ZL2102 6A 数字集成降压稳压器用于其余轨。

取决于您的电路板启动和测试策略。Intersil 的PowerNavigator GUI 软件将有助于加速硬件的启动、测试和终确定。ISL8270M 和 ZL2102 都提供评估板，这些评估板可以连接在一起，然后使用 USB 转 PMBus 接口进行设置以满足您的特定应用要求。图 2 显示了处于离线模式的 PowerNavigator 工具，可供我们插入硬件并进行配置设置选择。我们将在启动阶段使用这些设置来分段测试和验证设计。

图 2：PowerNavigator GUI 简化了高密度电源系统的设计。