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Stratix II是ALTERA公司生產(chǎn)的一款高性能FPGA器件。它采用TSMC的90 nm低k絕緣工藝技術(shù)生產(chǎn)，等價邏輯單元(LE)高達180 k，嵌入式存儲器容量達到9 MB。該器件不但具有極高的性能和密度，而且還針對器件總功率進行了優(yōu)化，同時可以支持高達1 Gbps的高速差分I／O信號，因而是一款超快的FPGA。該芯片中所含的高性能嵌入式DSP塊的運行頻率高達370 MHz。另外Stratix II還有12個可編程PLL，并具有健全的時鐘管理和頻率合成能力。能實現(xiàn)最大的系統(tǒng)性能。 MAX1951是MAXIM公司的一款高效的DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片，主要用于DSP、FPGA、ASIC的內(nèi)核及I／O口供電。其高達94％的轉(zhuǎn)換效率、8腳的SOP表貼封裝及連續(xù)工作時956 mW的低功耗使其特別適合于便捷式電子設(shè)備的應(yīng)用。MAX1951的輸入電壓范圍為2.6～5.5 V，輸出電壓范圍為0.8 V～Vin(可調(diào)輸出)，輸出電流可達2 A，精度可達1％，開關(guān)頻率為1 MHz，輸出效率達94％，且內(nèi)含過載及過熱保護電路。 基于MAX1951的諸多特點，本文給出了采用該器件為Stratix II FPGA系統(tǒng)供電以降低其功耗的設(shè)計方案。 1 應(yīng)用設(shè)計 采用MAX1951為Stratix II FPGA系統(tǒng)供電的參考電路如圖1所示。 輸入濾波電容主要是用來降低供電系統(tǒng)的電流峰值、電壓紋波和電路開關(guān)噪聲的影響，使芯片的輸入電壓紋波控制在3％以下。系統(tǒng)輸入電源的紋波電壓與輸入濾波電容的關(guān)系式如下： VIN_RIPPLE=IOUTVOUT／(fSWVINCIN) 圖1中，R4、C5、C3分別為旁路電阻、旁路電容及參考旁路電容，一般取圖中定值即可。 1.2 輸出器件參數(shù)的設(shè)計 (1) 輸出分置電阻 一般默認(rèn)設(shè)計的反饋輸入電壓為0.8 V，也可以根據(jù)所要輸出的電壓VOUT來設(shè)計R2，R3的阻值，一般取R2的值在2～20 kΩ之間。這樣，R3值的計算式如下： R3=R2[(VOUT／VFB)-1] (1) (2) 輸出電感 該電路的輸出電感、最大允許電流的輸出紋波電壓的計算式如下： LINIT=VOUT(VIN-VOUT)／(VINLIRIOUT(MAX)fSW (2) IL(MAX)=(1+LIR／2)IOUT(MAX) (3) VRIOPPLE=VOUT(VIN-VOUT)ESR／(VINLFINAIfSW) (4) 式中，LIR為電感電流峰值／電感最大平均電流，在對電感尺寸、損耗、輸出紋波等參數(shù)加以權(quán)衡后，一般最小電感電流紋波LIR應(yīng)設(shè)置在20％至40％之間。MAX1951的工作頻率?SW為1 MHz。其中ESR為輸出電容的等效串聯(lián)電阻，在其生產(chǎn)廠家的網(wǎng)站上可以查到相應(yīng)容量的ESR值。如采用常用的AVX-TAJA106*010，則其ESR為3Ω。 在選取電感時應(yīng)注意，很多新型器件對電源要求都比較高。所以應(yīng)盡量加大輸出電感容量以降低紋波(但要以犧牲尺寸為代價)。在其飽和電流滿足設(shè)計要求的前提下，電感的阻抗應(yīng)越小越好。因為電感的容量跟其所承受的最大電流成反比，同時在加大電流和電感容量的同時，也會大大增加電感的尺寸及價格，這在便捷設(shè)備的設(shè)計初期一定要注意。 (3) 輸出電容 輸出電容蓄電的變化會引起輸出電壓紋波，一般紋波電流小，紋波電壓相應(yīng)就小。實際電容的簡化電路模型是由等效串聯(lián)電感(ESL)、電容和等效串聯(lián)電阻(ESR)構(gòu)成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。由輸出電容引起的電壓紋波VRIPPLE的計算式如下： 1.3 補償電路設(shè)計 圖1中，補償電阻R1和補償電容C2組成的補償環(huán)路可用來提供穩(wěn)定的寬帶補償，Rl與C2的計算式如下： 2 基于MAX1951的機載GPS電源設(shè)計 2.1 Stratix II FPGA內(nèi)核供電電路 下面以一種機載GPS定位導(dǎo)航儀器的電源系統(tǒng)為例，來說明MAX1951的應(yīng)用電路。 在整個系統(tǒng)的設(shè)計之前，要對系統(tǒng)中各芯片的功耗進行估算，之后進行累加，以確定系統(tǒng)整體供電方案。本系統(tǒng)為機載GPS定位導(dǎo)航儀，系統(tǒng)硬件主要由一片F(xiàn)PGA、一片DSP、一片ARM及其它外圍接口電路構(gòu)成。系統(tǒng)電源輸入為+5.5 V，該系統(tǒng)要求功耗低、尺寸小。所以設(shè)計可采用電源轉(zhuǎn)換效率較高的MAX1951作為電源轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中的Stratix II FPGA所需電源有3.3 V和1.2 V兩種，其中3.3 V用于I／O和PD，1.2 V用于內(nèi)核與鎖相環(huán)。 估算Stratix II的功耗時，首先應(yīng)下載ALTERA網(wǎng)站提供的powerplay power estimator V5.1版(可支持Stratix II，Stratix II GX及HardCopy II的早期功耗估計)；然后根據(jù)所選用的Stratix II FPGA種類、封裝形式及用途來計算FPGA最大功率。本設(shè)計采用F484封裝的EP2S30，經(jīng)估算，其內(nèi)核最大電流為0.467A，I／O最大工作電流為0.07A。這樣就可以根據(jù)FPGA內(nèi)核的工作頻率、I／O資源的利用數(shù)量、PLL資源的利用數(shù)量、內(nèi)部邏輯資源的利用情況、DSP的利用等情況來精確計算芯片的功耗。 圖2所示是為該系統(tǒng)中Stratix II電源內(nèi)核供電的原理圖。 因Stratix II內(nèi)核供電分為鎖相環(huán)模擬電源和內(nèi)核數(shù)字電源兩種，其中鎖相環(huán)所需電源要求純凈、穩(wěn)定，所以在MAX1951輸出的后端可用兩個磁珠對模擬和數(shù)字電源進行隔離，并對PLL模擬電路再次進行濾波，同時在FPGA器件周圍放置相應(yīng)數(shù)量的0.1μF的引腳濾波電容。 Stratix II FPGA的I／O與PD的供電要求不怎么嚴(yán)格，所以可接成共電3.3VD，經(jīng)估算，其最大工作電流為0.1A。因此，按照本文所提供的關(guān)系式可以很容易地得出其輸入輸出濾波網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，圖3所示是用MAX1951設(shè)計的Stratix II FPGA系統(tǒng)的I／O口供電電路。 3 結(jié)束語 Stratix Il FPGA的高級架構(gòu)特性結(jié)合Nios II嵌入處理器具有無與倫比的處理能力，能滿足網(wǎng)絡(luò)、電信、DSP應(yīng)用、大容量存儲和其它高帶寬系統(tǒng)的需求。因此，本文基于MAX1951在StratiXII電源供電中的穩(wěn)定性以及功率控制等方面的良好表現(xiàn)，可以推廣到現(xiàn)代絕大多數(shù)低功耗器件的電源設(shè)計中去。 |
