FPGA最小系统的数字电源设计.pdf

FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）是高性能、可重构的集成电路，广泛应用于航空机载计算机等嵌入式系统中。FPGA最小系统指的是为FPGA芯片供电的最基本系统，这个系统包括为FPGA核心提供电压的电源、I/O端口供电以及配置FPGA的存储器等供电。FPGA最小系统的稳定性和可靠性对于嵌入式计算机的性能至关重要。本文将详细介绍FPGA最小系统的数字电源设计，包括数字电源的组成、设计实例和设计方法。 数字电源主要由以下几个部分组成： 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，通常在机载嵌入式计算机中为3.3V。 3. 辅助电压（VCCaux）：用来给集成的系统芯片（SoC）等器件的其他部分辅助供电。 4. 配置PROM（Programmable Read-Only Memory）芯片核心电压：用于给配置PROM的内核供电。 5. 配置PROM芯片I/O口电压：通常为3.3V。 为了提高FPGA最小系统的稳定性、可靠性，本文提出了一种改进的数字电源设计方案。在这个设计中，考虑了数字电源产生、软启动、上电时序控制等方面，特别是对于FPGA内核电压、端口电压和配置PROM芯片电压的时序要求。例如，为了保证电压在上电时单调上升，设置了一个时间确定性范围，如FPGA内核电压要在0.2~50毫秒内单调上升。同时，对电压精度的要求也非常高，FPGA内核电压可能需要达到40mV的精度。 设计实例中，作者选取了Xilinx公司的XQ4VLX25-10FF668 FPGA芯片和XCF32PVO48配置芯片，并采用LTM4644作为电源转换器件。LTM4644是一款四路4A输出宽电压输入的DC/DC变换器，具有较宽的输入电压范围和可调的输出电压范围。其工作温度范围、输出电流、输出纹波电压及最大功耗等性能指标都是设计中要考虑的重要参数。 针对上电时序，设计中要确保FPGA内核电压优先于I/O端口电压上电，同时配置PROM芯片的上电时序则没有严格要求。这样的设计可以确保FPGA在初始化和配置阶段不会因为电压的不正确上电顺序导致功能故障或不稳定。 文章还提到了数字电源转换设计的重要性。在设计中，作者采用了LTM4644单片解决方案，这是基于静态随机存取存储器（SRAM）工艺的FPGA。在恶劣的应用环境下，SRAM工艺的FPGA容易在上电时由于电压不稳定导致工作不稳定，因此，该设计方法对提高FPGA最小系统的稳定性、可靠性具有重要意义。 作者简介中提到了刘卫华，他是高级工程师，研究方向为机载计算机。这表明该研究和设计工作是由航空工业西安航空计算技术研究所中具有丰富经验的专业人士完成。 总结来说，本文详细介绍了FPGA最小系统的数字电源设计的重要性、组成、设计实例和方法。在设计时，必须考虑各个电压的时序关系、电压范围、供电精度等关键参数。通过精心设计和优化，可以显著提高FPGA最小系统的整体性能，确保嵌入式机载计算机等应用的稳定运行。