电源技术中的Stratix II FPGA系统电源设计
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2020-12-09
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电源技术中的电源技术中的Stratix II FPGA系统电源设计系统电源设计
0 引言 Stratix II是ALTERA公司生产的一款高性能FPGA器件。它采用TSMC的90 nm低k绝缘工艺技术生产，等
价逻辑单元(LE)高达180 k，嵌入式存储器容量达到9 MB。该器件不但具有极高的性能和密度，而且还针对器件
总功率进行了优化，同时可以支持高达1 Gbps的高速差分I／O信号，因而是一款超快的FPGA。该芯片中所含
的高性能嵌入式DSP块的运行频率高达370 MHz。另外Stratix II还有12个可编程PLL，并具有健全的时钟管理和
频率合成能力。能实现最大的系统性能。 MAX1951是MAXIM公司的一款高效的DC-DC电源转换芯片，主要用
于DSP、FPGA
0 引言引言
Stratix II是ALTERA公司生产的一款高性能FPGA器件。它采用TSMC的90 nm低k绝缘工艺技术生产，等价逻辑单元(LE)高达
180 k，嵌入式存储器容量达到9 MB。该器件不但具有极高的性能和密度，而且还针对器件总功率进行了优化，同时可以支持
高达1 Gbps的高速差分I／O信号，因而是一款超快的FPGA。该芯片中所含的高性能嵌入式DSP块的运行频率高达370
MHz。另外Stratix II还有12个可编程PLL，并具有健全的时钟管理和频率合成能力。能实现最大的系统性能。
MAX1951是MAXIM公司的一款高效的DC-DC电源转换芯片，主要用于DSP、FPGA、ASIC的内核及I／O口供电。其高达
94％的转换效率、8脚的SOP表贴封装及连续工作时956 mW的低功耗使其特别适合于便捷式电子设备的应用。MAX1951的输
入电压范围为2.6～5.5 V，输出电压范围为0.8 V～Vin(可调输出)，输出电流可达2 A，精度可达1％，开关频率为1 MHz，输出
效率达94％，且内含过载及过热保护电路。
基于MAX1951的诸多特点，本文给出了采用该器件为Stratix II FPGA系统供电以降低其功耗的设计方案。
1 应用设计应用设计
采用MAX1951为Stratix II FPGA系统供电的参考电路如图1所示。
1.1 输入器件参数的设计输入器件参数的设计
输入滤波电容主要是用来降低供电系统的电流峰值、电压纹波和电路开关噪声的影响，使芯片的输入电压纹波控制在3％以
下。系统输入电源的纹波电压与输入滤波电容的关系式如下：
V
IN_RIPPLE
=I
OUT
V
OUT
／(f
SW
V
IN
C
IN
)
图1中，R4、C5、C3分别为旁路电阻、旁路电容及参考旁路电容，一般取图中定值即可。
1.2 输出器件参数的设计输出器件参数的设计
(1) 输出分置电阻
一般默认设计的反馈输入电压为0.8 V，也可以根据所要输出的电压VOUT来设计R2，R3的阻值，一般取R2的值在2～20 kΩ
之间。这样，R3值的计算式如下：
R
3
=R
2
[(V
OUT
／V
FB
)-1] (1)
(2) 输出电感
该电路的输出电感、最大允许电流的输出纹波电压的计算式如下：
L
INIT
=V
OUT
(V
IN
-V
OUT
)／(V
IN
L
IR
I
OUT(MAX)
f
SW
(2)
I
L(MAX)
=(1+L
IR
／2)I
OUT(MAX)
(3)
V
RIOPPLE
=V
OUT
(V
IN
-V
OUT
)ESR／(V
IN
L
FINAI
f
SW
) (4)
式中，LIR为电感电流峰值／电感最大平均电流，在对电感尺寸、损耗、输出纹波等参数加以权衡后，一般最小电感电流纹波
LIR应设置在20％至40％之间。MAX1951的工作频率?SW为1 MHz。其中ESR为输出电容的等效串联电阻，在其生产厂家的
网站上可以查到相应容量的ESR值。如采用常用的AVX-TAJA106*010，则其ESR为3Ω。
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