Xilinx Kintex-7 FPGA电源方案设计

成都理工大学信息科学与技术学院电路与系统专业 陈飞洋

Xilinx Kintex-7 FPGA电源方案设计

成都理工大学信息科学与技术学院电路与系统专业 陈飞洋

FPGA（Field-Programmable Gate Array）作为一种现场可编程逻辑器件，在过去几十年中从电子系统的外围单一的功能器件逐渐演变为数字系统的核心器件。随着半导体工艺技术的进步，FPGA器件的性能和功能有了飞跃的发展及突破。FPGA器件向着更高密度、高速度、高带宽、低电压、低功耗、IP软/硬件核复用、片上系统集成等发展。伴随着越来越复杂的电源电压轨需求。为了使FPGA器件可靠、稳定的工作，其需要更加良好、可靠的电源管理系统。以Xilinx Kintex-7 FPGA芯片为例设计一种较方便、可靠、稳定的电源方案设计。

1.FPGA的电源需求分析

1.1 FPGA的电源电压轨需求分析

Kintex-7 FPGA是Xilinx较高端器件，采用28nm工艺，逻辑资源非常丰富，IO口资源丰富，内核电源电压低至1V[1]，IO接口可以根据外设不同电压，将每个Bank供不同电压轨。所以一般外设器件功能较多的情况下，FPGA电源电压轨需求种类相对较多。

1）VCCINT：内核电压，是由器件的所用的材料工艺所决定的，随着工艺的提升，内核电压越来越低，Kintex-7的内核电压为1V。

2）VCCBRAM：RAM块电压，是专门给FPGA内部RAM块供电的，一般情况下与内核是同一路电压轨，采用1V供电。

3）VCCAUX：辅助电压，FPGA需要一路辅助的电源电压，向内部的其他功能供电。常常都用1.8V供电。

4）VCCO：接口电压与FPGA的Bank电压是有关系的、根据外围器件的接口电平的电压轨的不同，提供不同的电压；IO典型电压：3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.35V（其中1.5V一般是用于DDR3接口电平、如果是为了降低功耗。也采用1.35V的DDR3接口标准的电平）。

5）VMGTAVCC：给GTX收发器及QPLL等供电，电压为1V。6）VMGTAVTT：给GTX收发器的端接电路供电，一般需要一路独立的1.2V供电。

7）VMGTAVTTRCAL：给GTX发射器的电阻校准电路供电，一般与VMGTAVTT是同一电压轨。

8）VMGTVCCAUX：GTX的辅助电压，一般与VCCAUX采用同一个电压轨。

通过上面的分析，可以发现FPGA电源电压的常见需求种类：3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.35V、1.2V、1V，可以高达7个电压轨，往往是需求不了这么多电压轨，但也5、6种之多，其中内核电流还高达十几个安培。

1.2 FPGA的电源功耗需求分析

Xilinx FPGA有一个专门用于功耗估计的软件XPE（Xilinx Power Estimator），它可以很方便、快捷的估计FPGA每种电压轨的电流的大小。

图1 XC7K410TFFG900-XPE快速估计内容

在图1快速估计中，根据XC7K410T的内部资源的使用比率，可以快速估计各个电压轨的动态功耗，方便快速设计和功耗估计。当FPGA内部逻辑资源占用到很高时，内部的布线是很复杂的，必须要各种优化，特别是速率高的时候，布线还要满足一定的时序要求。所以LUT和FF都预设计为70%。接口预设计64位宽的DDR3L，数据速率为1600Mb/s；4路宽的GSMII的千兆以太网；PCIe GEN2 位宽为8X；LVDS设计100对，速度是400Mb/s。

图2 XC7K410TFFG900-2I功耗估计

从图2中可以看到FPGA的整体功耗大约是15.770W，内核电流高达11.136A。其他的电压都可以从图中看到具体的需求参数。

2.FPGA电源设计的难题与考虑

1）电源电压的大小随尺寸的缩小而降低，纹波和噪声的影响就更明显；电源产品需要支持多种不同的输出电压。

2）数字IC在整个系统的功耗中占最大的百分比，稳压器需要具有较高的转换效率以及散热。

3）处理器的负载是动态的，电源产品需要有精准的输出电压和极好的暂态处理能力。

4）FPGA需要特定的上电和掉电顺序，如不满足则可能FPGA不能正常工作，更严重会大大缩短FPGA的使用寿命。

5）FPGA的每路电压轨上电需要满足一定的上电时间和间隔。

3.电源设计的解决方案

为了满足以上条件：采用Linear（凌力特）的LTM4644是一款包含4路独立电压输出，每路可提供4A电流DC/DC降压μModule（微型模块）。输出可通过并联形成一个阵列提供高达16A的电流能力。而且每路都有独立的上电使能控制信号，上电良好（Power Good）输出信号，上电时间确定。采用3片LTM4644能够完全满足电源电压轨的。特点如下[3]：

● 4通道输出，每路可以提供4A电流的降压型稳压器；

● 输入电压范围：4V～12V，如果采用外部偏置：2.375V～14V；

● 准确度为±1.5%的总输出电压调节；

● 电流模式控制、快速瞬态响应；

● 可通过并联提供较高的电流输出；

● 内置温度检测二极管输出；

● 过流、过压和过热保护。

FPGA的上电顺序有两个要求：①V→V→V→V→V[2]；

CCINTCCBRAMCCAUXCCAUX_IOCCO