FPGA揭秘（11）：芯片电源供给探究

FPGA芯片的供电

任何电路的工作都离不开电源的供给，FPGA芯片也一样。一般来说，FPGA芯片在正常工作的时候需要系统提供三套供电机制——外部端口供电机制、内部逻辑供电机制和专有电路供电机制。分别介绍如下：

外部端口供电机制

数字系统之间的电平接口种类，FPGA是专门用于数字系统设计的芯片，那么能够正确、可靠、高效的和外界其他数字电路进行通信是FPGA芯片必备的一个功能。为了让FPGA芯片中的用户IO资源能够正确的接收相关电平信号或者按要求发送相关电平信号，必须为用户IO资源供给正确的电源才行。这就是外部端口供电机制的作用。一般来说，在接口资源中命名类似VCCIO的管脚即为用户IO资源的供电的管脚。通过端接不同的电压，来确保FPGA芯片能够正常的和外界通信。例如，如果外界信号电平为LVTTL3V3的，那么我们需要为VCCIO管脚供给3.3V的直流电压。
现在的FPGA芯片集成度越来越高，一片BGA封装的FPGA芯片上具有成百上千个用户IO资源已经不足为奇。一般来说，FPGA会根据位置关系，将这么多的用户IO资源划分开来，形成若干的IO Bank，而每一个IO Bank具有单独的VCCIO接口资源。这意味了一片FPGA芯片的用户IO资源可以支持多种接口电平通信。例如，一个IO Bank的管脚与外部SDRAM芯片通过LVTTL3V3进行存储操作，而另一个IO Bank的管脚可以通过LVDS2V5的接口电平与外部高速差分接口进行通信。因此，利用IO Bank的这一特性，我们可以将使用不同电平标准进行通信的逻辑端口定位在不同的IO Bank中，来满足一片FPGA芯片同时和外部多种不同电平环境进行通信的要求。甚至通过相关可编程电源技术，动态的改变一个IO Bank的VCCIO供电电压，从而制作出更加通用的硬件产品。

内部逻辑供电机制

虽然数字系统间的接口电平多种多样，但是，对于承载核心逻辑运算的FPGA芯片内部的其他资源来说，它们并不需要根据外部电路的不同来调整自己的供电电压。
首先，数字信号一旦被识别，那么接下来的传递就没有必要再沿用之前的电平标准了，因此用户IO资源和FPGA芯片内部其他资源进行通信的时候，就没有必要再沿用它和外界的电平标准来混乱内部电路的工作了。
其次，外部端口的供电一般电压要求较高，而对电流的要求较低，因为数字系统之间的通信不需要很强的电流驱动能力；而内部逻辑的供电一般供电电流较大，甚至可达十几安培，因此出于对功耗的控制，供电电压一般都比较低。
由于以上的原因，不管一片FPGA芯片有多少个IO Bank，能支持多少个不同的VCCIO电平标准，一片FPGA芯片都只能有一个内部逻辑供电电源。一般来说，在接口资源中命名类似VCCINT的管脚即为内部逻辑供电的管脚。虽然一片FPGA芯片也可以支持多种VCCINT电平标准，但是每次工作的时候，只能选定其中的一种为内部逻辑进行供电，而不能像VCCIO一样允许多种供电电平同时存在。

专有电路供电机制

由于FPGA中不断集成了一些新的资源，而有些资源对电源的要求是比较特殊的，因此对于大多数FPGA芯片来说，还需要配合一些专有的电路供电机制来驱动这些资源可以正常工作。
例如，FPGA芯片中的PLL资源，由于其主要还是利用的模拟电路的特性来实现的，模拟电路对电源噪声远比数字电路敏感，因此，FPGA中的PLL资源一般需要专门的供电电路来供电，而FPGA自然也会为之提供相应的供电管脚，例如名称类似VCCPLL的。

电源稳定性讨论

任何芯片的正确、稳定的工作都离不开一个稳定的电源。对于FPGA的VCCIO和VCCINT来说，一般都需要加上专门的滤波电路来尽量去除电源转换芯片输出电压的纹波和噪声，通常的做法是靠近FPGA芯片处用大电容滤除低频干扰，然后在每个FPGA电源供电管脚上尽可能就近放置小电容来滤除高频干扰。而对于专用电路的供电，则需要参考芯片手册上的说明来设计供电电路。
虽然数字电路对电源的噪声不是很敏感，但是当驱动内部逻辑的时钟信号频率很高时，电压的稳定性对时序指标的影响还是很明显的。因此，要想获得高性能，一定要确保按照芯片手册推荐的电平标准供给稳定的电源电压。
而对于电流，之前提到过，VCCINT的电流是比较大的，可以在几安培甚至十几安培，而虽说用户IO资源对电流的要求不高，但是若几百个IO同时对外输出，此电流也不可小视。因此，为了解决电流过分集中，烧坏管脚的问题，一片FPGA中一般都有几十甚至上百个VCCINT管脚用于电流分流；而每个IO Bank也会有若干个VCCIO，不过请注意，这些VCCIO是起电流分流作用的，不能接入不同的电平。
除此以外，鉴于FPGA芯片的工作电流较大，因此其功耗一般也在几瓦、十几瓦甚至更高，那么随之而来，FPGA芯片的温度也会急剧上升，如果不加以控制，很可能会烧坏芯片，并且温度的变化对时序指标的影响非常大。因此，一般对于逻辑资源相对丰富一些的较大容量FPGA芯片，都需要配合散热片一起使用。

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