现场可编程门阵列的供电原理及应用

在传统电源结构中，AC/DC或DC/DC转换器位于一个地方，并提供多个输出电压，在整个系统内分配。这种设计称为集中式电源结构(CPA)，见图1。以高电流分配低电压时，铜线或PCB轨道会产生严重的电阻损耗，CPA就会发生问题。

CPA的替代方案是分布式电源结构(DPA)，见图2。采用DPA时，整个系统内仅分配一个半稳压的DC电压，各DC/DC转换器（线性或开关式）与各负载相邻。DPA中，DC/DC转换器与负载（例如FPGA）之间的距离近得多，因而线路电阻和配线电感引起的电压下降得以减小。这种为负载提供本地电源的方法称为负载点(POL)。

图1 集中式电源结构

图2 分布式电源结构

当一个逻辑器件从逻辑1切换到逻辑0时，或者从逻辑0切换电感厂家到逻辑1时，包括电源的输出结构暂时变为低阻抗状态。每次转换均要求对信号线进行充电或放电，这就需要能量。旁路电容的功能是在本地电感生产厂家储存能量，以提供转换所需的能量。

本地储存能量必须在较宽的频率范围内可用。低串联电感的非常小的电容用来为高频转换提供快速电流。高频电容能量耗尽之后，较大、较慢的电容继续提供电流。FPGA技术要求三种频率范围内的电容，即高、中、低频率范围。这些频率的跨度为1kHz至500MHz。

正确放置对于高频电容（1nF至100nF低电感陶瓷片式电容）非常重要；对于中频电容（10μF至100μF钽电容或陶瓷电容）和低频电容(>470μF)，这种重要性依次降低。塑封电感之所以与放置有关，原因很简单：从电容引脚到FPGA电源引脚的路径电感必须尽可能低。这意味着该路径必须尽可能短，哪怕要穿过实体接地层或电源层。1英寸实心铜层的电一体电感感约为1nH，因此距离极为重要。旁路电容过孔必须直接下行至接地层或VCC层。

高频旁路电容，无论是在VCCINT还是VCCIO上，均应安装在相关VCC引脚的1厘米范围内；中频旁路电容则应安装在VCC引脚的3厘米范围内。低频旁路电容可以安装在合理范围内的电路板上任意位置。当然，离FPGA越近越好。

较新的FPGA有输入/输出旁路要求，因此以前用于低速或低密度设计的电容类型可能无效。根据所电容器 电感器用材料、结构和值的不同，旁路电容在整个频率范围内有不同的串联电抗。通过查看各种系列的数据手册，可以得知某些电容更适合当前所考虑的应用。

图3中显示了电容阻抗随频率的变化曲线。阻抗最小值位于电容的自谐振频率；超过此频率后，寄生引线电感在“电容”的电抗特性中占据主导地位。图中，业界标准型X7R单芯片、10nF陶瓷1206片式电容在50MHz时的阻抗为0.2Ω。然而，在500MHz时，该电容的阻抗约为3Ω。当有效阻抗增大，负载无法使用电容所储存的能量时，电容即无效。同时还必须考虑温度范围和老化效应。一些电容在室温时阻抗较低，但在极端温度时则表现不佳。当电容值较大（100nF至330nF）时，Z5U电容在高频时的ESR可能较低。不过，这种电容不宜在10℃以下使用。作为+20%、–80%额定器件，这种电容要求几乎两倍的设计值才能安全使用。选择旁路电容系列时，最好查看电容制造商的数据手册。

FPGA电源设计可能会涉及5A、10A甚至更高的电流在PCB走线中流动。当这种大电流存在并以开关模式（边沿陡峭）随时间变化时，显而易见，噪声、感应电压和电磁辐射(EMI)很可能出现，并可能导致电源工作异常。与配线电感相关的快速开关电流也可能会产生电压瞬变，并导致其它问题。为使电感和接地环路最小，传导高电流的PCB走线应尽可能短。应采用接地层结构或单点接地，使外部元件尽可能靠近DC/DC转换器，以实现最佳效果。使用开口铁芯电感时，必须特别注意这种电感的位置和定位，避免电感通量与敏感的反馈接地路径和COUT配线相交。使用具有可调输出的开关稳压器或控制器时，应将反馈电阻和相关配线置于IC附近，并远离电感布置配线，尤其是开口铁芯式电感。铁氧体绕轴或铁棒电感具有从绕轴一端经空气到达另一端的磁力线。这些磁力线会在电感磁场范围内的所有导线或PC板铜走线中产生感应电压。铜走线中产生的电压量由以下因素决定：磁场强度、PC铜走线相对于磁场的方向和位置，以及铜走线与电感之间的距离。平面变压器厂家 | 平面电感厂家

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