FPGA越来越精密，对DC-DC电源的精度也越来越高

FPGA 厂商不断采用更先进的工艺来降低器件功耗，提高性能，同时 FPGA 对供电电源的精度要求也越加苛刻，电压必须维持在非常严格的容限内，如果供电电压范围超出了规范的要求，就有会影响到 FPGA 的可靠性，甚至导致 FPGA 失效。



无论是 Intel （Altera）FPGA 还是 Xilinx FPGA 均在数据手册中明确提出了电源精度要求，其中要求最高的是内核和高速收发器的供电。举例来看，Intel 公司的 Cyclone V、Cyclone 10 GX、Arria10、Stratix 10 的电源精度要求在±30mV 以内。



Arria10 的 core 和 transceiver 数据手册上的供电要求（±30mV）：







Stratix10 的 core 和 transceiver 数据手册上的供电要求（±30mV）：







如果 Stratix10 需要支持 26.6G transceiver 时，收发器供电精度要求 ±20mV 以内：







Xilinx 公司的 Artix 7、Kintex7、Virtex 7 等器件电源精度要求也是在±30mV 以内，KU+、VU+器件要求电源精度必须达到±22mV 以内。



Kintek Ultrascale+的 core 和 transceiver 数据手册上的供电要求（±22mV）：







由此可见，新一代 FPGA 的供电精度都在±20-30mv 左右，已经是单板中对电源精度要求最为苛刻的器件之一了。



由于输出精度都是理论计算值，并没有考虑单板 PCB 布线和其他外部设备引入的干扰和误差，因此实际设计产品时，电源输出精度不但必须符合数据手册中的要求，还必须预留一定的余量，通常设计中，我们还会保留 50%-100%余量，以保证系统长期可靠工作。



电源的稳态直流精度及计算方法

供电电源的稳态直流精度主要取决于两个因素：电压调整精度和输出电压纹波。这里有一个误区，很多工程师只通过 DC-DC 数据手册上的电压输出精度来判断器件是否符合要求，其实这是不正确的。



首先很多 DC-DC 需要外部反馈电阻来决定最终的输出电压，数据手册上的电压调整精度是指芯片本身的输出精度，并没有计算反馈电路引入的偏差。其次，器件数据手册上的电压输出精度并不包含输出电压纹波，必须将两者叠加计算才能得到正确的直流稳态精度。



正确的电源稳态直流精度的计算公式如下：

电源直流稳态精度 =器件输出精度（这里要求全温度，全负载时的精度，很多器件手册只给出典型值，因此要小心)+ ? 纹波 + 外部反馈电阻精度引入的误差。



高精度电源对减低 FPGA 功耗的作用

除了电源精度影响整个系统的稳定性和可靠性，更高精度的电源还可以帮助我们降低系统功耗。



我们举一个例子，一个 FPGA 推荐的典型工作电压为 0.85V，最高工作电压为 0.88V，最低工作电压为 0.82V， 假设供电 DC-DC 实际稳态直流精度是±30mV ，那么 DC-DC 必须正好工作在 0.85V，如果电压更低，就会低于 FPGA 对电压下限的要求。