Xilinx Kintex-7 FPGA電源方案設計

成都理工大學信息科學與技術學院電路與系統專業 陳飛洋

Xilinx Kintex-7 FPGA電源方案設計

成都理工大學信息科學與技術學院電路與系統專業 陳飛洋

FPGA（Field-Programmable Gate Array）作為一種現場可編程邏輯器件，在過去幾十年中從電子系統的外圍單一的功能器件逐漸演變為數字系統的核心器件。隨著半導體工藝技術的進步，FPGA器件的性能和功能有了飛躍的發展及突破。FPGA器件向著更高密度、高速度、高帶寬、低電壓、低功耗、IP軟/硬件核復用、片上系統集成等發展。伴隨著越來越復雜的電源電壓軌需求。為了使FPGA器件可靠、穩定的工作，其需要更加良好、可靠的電源管理系統。以Xilinx Kintex-7 FPGA芯片為例設計一種較方便、可靠、穩定的電源方案設計。

1.FPGA的電源需求分析

1.1 FPGA的電源電壓軌需求分析

Kintex-7 FPGA是Xilinx較高端器件，采用28nm工藝，邏輯資源非常豐富，IO口資源豐富，內核電源電壓低至1V[1]，IO接口可以根據外設不同電壓，將每個Bank供不同電壓軌。所以一般外設器件功能較多的情況下，FPGA電源電壓軌需求種類相對較多。

1）VCCINT：內核電壓，是由器件的所用的材料工藝所決定的，隨著工藝的提升，內核電壓越來越低，Kintex-7的內核電壓為1V。

2）VCCBRAM：RAM塊電壓，是專門給FPGA內部RAM塊供電的，一般情況下與內核是同一路電壓軌，采用1V供電。

3）VCCAUX：輔助電壓，FPGA需要一路輔助的電源電壓，向內部的其他功能供電。常常都用1.8V供電。

4）VCCO：接口電壓與FPGA的Bank電壓是有關系的、根據外圍器件的接口電平的電壓軌的不同，提供不同的電壓；IO典型電壓：3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.35V（其中1.5V一般是用于DDR3接口電平、如果是為了降低功耗。也采用1.35V的DDR3接口標準的電平）。

5）VMGTAVCC：給GTX收發器及QPLL等供電，電壓為1V。6）VMGTAVTT：給GTX收發器的端接電路供電，一般需要一路獨立的1.2V供電。

7）VMGTAVTTRCAL：給GTX發射器的電阻校準電路供電，一般與VMGTAVTT是同一電壓軌。

8）VMGTVCCAUX：GTX的輔助電壓，一般與VCCAUX采用同一個電壓軌。

通過上面的分析，可以發現FPGA電源電壓的常見需求種類：3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.35V、1.2V、1V，可以高達7個電壓軌，往往是需求不了這么多電壓軌，但也5、6種之多，其中內核電流還高達十幾個安培。

1.2 FPGA的電源功耗需求分析

Xilinx FPGA有一個專門用于功耗估計的軟件XPE（Xilinx Power Estimator），它可以很方便、快捷的估計FPGA每種電壓軌的電流的大小。

圖1 XC7K410TFFG900-XPE快速估計內容

在圖1快速估計中，根據XC7K410T的內部資源的使用比率，可以快速估計各個電壓軌的動態功耗，方便快速設計和功耗估計。當FPGA內部邏輯資源占用到很高時，內部的布線是很復雜的，必須要各種優化，特別是速率高的時候，布線還要滿足一定的時序要求。所以LUT和FF都預設計為70%。接口預設計64位寬的DDR3L，數據速率為1600Mb/s；4路寬的GSMII的千兆以太網；PCIe GEN2 位寬為8X；LVDS設計100對，速度是400Mb/s。

圖2 XC7K410TFFG900-2I功耗估計

從圖2中可以看到FPGA的整體功耗大約是15.770W，內核電流高達11.136A。其他的電壓都可以從圖中看到具體的需求參數。

2.FPGA電源設計的難題與考慮

1）電源電壓的大小隨尺寸的縮小而降低，紋波和噪聲的影響就更明顯；電源產品需要支持多種不同的輸出電壓。

2）數字IC在整個系統的功耗中占最大的百分比，穩壓器需要具有較高的轉換效率以及散熱。

3）處理器的負載是動態的，電源產品需要有精準的輸出電壓和極好的暫態處理能力。

4）FPGA需要特定的上電和掉電順序，如不滿足則可能FPGA不能正常工作，更嚴重會大大縮短FPGA的使用壽命。

5）FPGA的每路電壓軌上電需要滿足一定的上電時間和間隔。

3.電源設計的解決方案

為了滿足以上條件：采用Linear（凌力特）的LTM4644是一款包含4路獨立電壓輸出，每路可提供4A電流DC/DC降壓μModule（微型模塊）。輸出可通過并聯形成一個陣列提供高達16A的電流能力。而且每路都有獨立的上電使能控制信號，上電良好（Power Good）輸出信號，上電時間確定。采用3片LTM4644能夠完全滿足電源電壓軌的。特點如下[3]：

● 4通道輸出，每路可以提供4A電流的降壓型穩壓器；

● 輸入電壓范圍：4V～12V，如果采用外部偏置：2.375V～14V；

● 準確度為±1.5%的總輸出電壓調節；

● 電流模式控制、快速瞬態響應；

● 可通過并聯提供較高的電流輸出；

● 內置溫度檢測二極管輸出；

● 過流、過壓和過熱保護。

FPGA的上電順序有兩個要求：①V→V→V→V→V[2]；

CCINTCCBRAMCCAUXCCAUX_IOCCO