FPGA的电源要求是什么?

ROHM拥有各种各样的DC/DC转换器IC,其中包括适合用于FPGA电源的产品阵容。这里列举的8种机型,可满足FPGA需要的电源规格,也提供参考设计。我们就该FPGA用降压型DC/DC转换器系列的性能以及特征采访了ROHM的应用工程师柴戸孝信(Shibako Takanobu)先生。

-FPGA用降压型DC/DC转换器IC,最初定义为“FPGA用”,是否因为这是具有特别功能的IC?

基本上是通用的降压型DC/DC转换器IC,但这个系列的性能以及特征可以满足FPGA的电源规格。例如,可供给1.5V/1A输出的DC/DC转换器有很多,但未必都适合用于FPGA电源。

柴戸孝信(Shibako Takanobu)先生画像1

-那么,在谈DC/DC转换器的话题前,可以请您介绍一下FPGA的电源要求吗?

好的!我觉得这样更容易理解该DC/DC转换器系列被定义为“FPGA用”的原因。说到FPGA,制造商有很多,功能以及构成也各式各样。在这里希望大家了解的是相比之下多功能、高性能、中等以上规模的FPGA。例如,赛灵思公司的7系列以及Altera公司的Stratix等。

首先可以说是其最大特征的是,电源电压分为内核用、I/O用、各功能块用等多种电压,需要5种左右甚至更多的电源。并且,有电源的启动时间及顺序等时序的要求。近年来有缓和倾向,但是如果不遵守该要求事项的话,会出现无法正常工作,或FPGA损坏等情况。

接下来谈一下FPGA制造工艺的微细化。随着微细化的发展,例如,被称为内核电压的电源电压低至1V左右,呈低电压化的趋势,相反电源有电流变大的倾向。其他电源电压也基本为1.8V或2.5V等几乎都在3.3V以下的低电压。

-据说CPU也呈现电源的低电压大电流化趋势,可以认为这两者是相同情况吗?

我觉得基本上是相同的。只是,FPGA的电源数要多得多。

-还有其他特征吗?

多电源低电压大电流外,电压精度也倾向于越来越严格。例如,内核电压中出现1V±3%这种级别。

-±3%有那么严格吗? 我还以为俗称“系统电压”的5V/3.3V的标准精度是±5%。

以±3%为例,按实际的容许差来考虑,1V的±3%为±30mV。3.3V的±3%为±99mV,当然,电压变低后,容许差的绝对电压也变小。开关电源的输出电压中有纹波电压。输出纹波电压是按输出纹波电流与输出电容器的ESR的积发生的电压,与输出电压无关,与输出纹波电流的大小成正比。由于输出电压精度中包含纹波电压,因此在低电压大电流条件下,纹波电压变大后要保持容许差很困难。

还有其他一些影响输出电压精度的因素。负载瞬态,也就是说由于输出电流的急剧变动,输出电压的变动也相当大。FPGA的负载变动相当活跃。特别是,从休眠状态唤醒时的负载变动相当大。

FPGA的特点

还有,负载电流(电源的输出电流)变大后,PCB板布线的电阻带来的电压降变大,与电源的输出引脚电压不同,FPGA的电源引脚电压变小。这虽不是电源的性能问题,但从对负载元器件供应必要的电压这个角度来看,是需要在电源端解决的问题。

最后,低噪声也是相当重要的。以低电压进行数百MHz频段的工作与通信。电源的噪声不但会使S/N劣化,也可能导致元器件无法正常工作。

-FPGA电源应该考虑的要点有很多啊。可以请您总结一下要点吗?

FPGA的电源要求事项主要是:1) 电源电压为多种;2) 电源时序;3) 低电压大电流;4) 电压精度要求严格(包括纹波、负载瞬态引起的变动,PCB板布线电阻引起的电压降等);5) 低噪声。当然,个别FPGA的电源要求更细。

-综上所述,说白了达到这些要求是作为FPGA电源的条件。

的确如此。也就是所作为电源,要“低电压大电流条件下实现高电压精度、低噪声”,说实话这是相当不容易的课题。

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