FPGA最小系统的数字电源设计
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作者:刘卫华 荆立雄 王建生
摘 要：文章介绍了一种FPGA最小系统的数字电源设计方法。FPGA最小系统的数字电源包括FPGA端口电压、内核电压、EEPROM配置芯片内核电压等部分。对数字电源产生、软启动、上电时序控制进行了设计改进，可以有效避免数字电源设计不合理造成的FPGA最小系统工作不稳定的设计隐患，对于稳定可靠的FPGA最小系统设计具有重要意义。
关键词：现场可编程逻辑门阵列最小系统;数字电源;上电时序控制
在目前的嵌入式航空机载计算机中，现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）最小系统仍是嵌入式计算机的重要组成部分。FPGA芯片由于输入/输出（Input/Output，I/O）接口数量丰富、IO核成熟、高性能、可重构、功能配置灵活，非常适合用来构建嵌入式机载计算机通用的电子硬件平台[1]。但在实际工程应用中，FPGA导致的故障也频频发生，主要原因在于没有对FPGA最小系统的相关细节约束进行详细设计保证。FPGA最小系统能运行，但鲁棒性、可靠性、稳定性不佳。在恶劣的应用环境下，极易导致FPGA最小系统工作不稳定[2]。本研究从FPGA最小系统的数字电源设计入手，从数字电源产生、软启动设置、数字电源上电时序控制等方面入手，提出了一种基于静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，SRAM）工艺的FPGA最小系统数字电源的设计方法，对于提高FPGA最小系统稳定性、可靠性具有重要意义。
1 FPGA最小系统的数字电源组成
FPGA最小系统中数字电源一般由以下部分组成：
（1）内核电压VCCint，是FPGA内部逻辑核心部件逻辑运算的供电电压，通常小于I/O口电压，不同芯片工艺水平导致FPGA内核电压轨不同。
（2）端口电压VCCO，是FPGA输入输出接口的驱动电压，对于机载嵌入式计算机来说，通常为3.3 V。
（3）辅助电压VCCaux，用来给集成的系统芯片（System on a Chip，SoC）等器件的其他部分辅助供电。
（4）对于基于SRAM工艺的FPGA，还包括配置可编程只读存储器（Programmable Read-Only Memory，PROM）芯片核心电压，用来给配置PROM的内核供电。
（5）对于基于SRAM工艺的FPGA，还包括配置PROM芯片的I/O口电压，通常为3.3 V。
2 FPGA最小系统的数字电源设计实例
下面介绍一种FPGA最小系统的数字电源部分的设计实例。其中，FPGA主芯片选用Xilinx的XQ4VLX25-10FF668芯片，PROM配置芯片选用XCF32PVO48芯片。选用LTM4644作为FPGA最小系统的核心供电转换器件。涉及的FPGA最小系统电源电压如表1所示。
在本实例中，FPGA最小系统数字电源有以下需求：
（1）最小系统数字电源前端供电器件能有足够的供电能力，能够支撑最小系统上电冲击电流的要求。
（2）内核电压要求在建立过程中单调上升，并且上电建立过程要具有时间确定性[3]。在本例中，FPGA内核电压要求在0.2～50 ms单调建立，FPGA端口电压要求在0.2～50 ms单调建立。配置PROM芯片内核电压要求在0.2～50 ms单调建立，配置PROM端口电压需要在对RESET引脚进行操作之前建立。
（3）内核电压供电电压范围通常在40～60 mV，具有较高的供电精度要求。在本例中，FPGA内核电压要求40 mV的供电精度，FPGA端口电压要求150 mV的供电精度。配置PROM芯片内核电压供电精度要求为150 mV，配置PROM芯片端口电压供电精度要求为300 mV。
（4）FPGA芯片内核电压要优先于I/O端口电压上电，配置PROM芯片上电时序无要求。
2.1 数字电源转换设计
在数字电源的转换设计方面，采用LTM4644单片解决方案。LTM4644的主要性能指标如下：
（1）四路4A输出宽电压输入DC/DC变换器。
（2）工作温度为-55～+125 ℃。
（3）输入电压范围为4.0～14.0 Vdc。
（4）输出电压范围可调，为0.6～5.5 Vdc。
（5）输出电流为四路4 A。
（6）输出纹波电压为20 mVP-P。
（7）最大功耗为5.5 W。
（8）自带热保护功能。
（9）自带过流保护、输出过压保護等功能。
LTM4644的输出电压范围可以通过外部高精度的反馈电阻进行设置。其输出电压的输出调节公式为：
根据以上公式，在输出1.2 V，1.8 V和3.3 V时，外部配置的反馈电阻阻值应为60.4 kΩ，30.1 kΩ和13.3 kΩ，LTM4644输出转换电路如图1所示。
LTM4644每路能提供4 A的带载能力，能够满足产品上电的冲击电流要求。其输出的供电精度误差在33 mV，可以满足供电精度的要求。
2.2 软启动功能设计
LTM4644具备单路软启动设置功能，可以通过TRACK/SS管脚，在外部配置相应的电容，设置输出电压的爬升率，以提供输出电压建立的确定性。
输出电压建立时间可根据以下公式进行推算：
在本例中，设置软启动的电容值为4.7 nF，依据公式推算，其电压完整建立时间约为1.128 ms。通过软启动方式，为FPGA最小系统的供电电源提供了电压建立时间的确定性。 2.3 时序控制功能设计
通过LTM4644输出，能控制引脚RUN来实现时序控制功能。将要求先行上电的电源输出用于控制后上电的通道来控制RUN端，以实现固定的上电时序。
在主控功能电路中，由5 V来使能1.2 V和1.8 V的输出，由1.8 V输出使能3.3 V的输出。当5 V爬升至1.2 V时，1.2 V和1.8 V开始输出;当1.8 V爬升至1.2 V时，3.3 V开始输出。同时，设置1.2 V，1.8 V，1.9 V和3.3 V的软启动时间，使其爬升时间为1 ms，具体如图2所示。
3 實现效果及结论
FPGA最小系统的数字电源要求较细，通常难以引起设计者的注意，而且在绝大部分应用场合并不会暴露问题。但在高可靠性、高稳定性的产品设计中，应充分考虑数字电源系统的设计。不恰当的供电会导致FPGA不能正常加载、FPGA不工作、FPGA内部损伤等潜在故障。尤其是国产化的部分FPGA芯片，对数字电源的供电要求更加严格，应加以注意。给出一种单片的FPGA最小系统的供电电源的解决方案，能够解决相关的设计隐患，对提高设计的可靠性、稳定性有重要意义。
[参考文献]
[1]俞宏洋，秦怀宇.基于STM32F334的数字BUCK电源设计[J].电子世界，2018（7）：188-189.
[2]张南山.基于DSP的大功率数字电源产品化研究[J].电源技术应用，2008（2）：65-70，75.
[3]杨成，贺明智.基于ARM的数字电源控制器设计[J].仪器仪表与分析监测，2019（2）：6-10.
Design of digital power supply for FPGA minimum system
Liu Weihua， Jing Lixiong， Wang Jiansheng
（Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xi’an 710065， China）
Abstract：This paper introduces a design method of digital power supply for FPGA minimum system. The digital power supply of FPGA minimum system includes the voltage of FPGA I/O ports，kernel voltage， EEPROM configuration chip kernel voltage and so on. The design of digital power generation， soft-start and power sequence control is improved in this paper. The hidden trouble of instability caused by unreasonable digital power design could be reduced， which is significant for stable and reliable design of FPGA minimum system.
Key words：field programmable gate array minimum system; digital power supply; power sequence control
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