目前的電子產品市場競爭非常激烈，廠商都希望能在最短時間內將新產品推出市場，以致子系統的設計周期越縮越短。在這個發展過程中，FPGA及ASIC 的重要性越來越受到重視，例如新系統的很多重要功能往往需要由這些電路執行。對于采用FPGA芯片的系統來說，電源管理是尤其需要慎重考慮的關鍵問題之一。若要為FPGA芯片提供穩定的供電，我們需要全面審視系統的整體供電需要。這個取態也適用于特殊應用集成電路芯片。

由于系統的起始條件較為復雜，加上需要考慮的其他因素，例如瞬態行為、開關規格、以及許多其他的因素，因此電源供應系統必須符合一定的要求，這一點極為重要。若按照有關芯片的應用要求，供電干線必須繞過芯片或去除與芯片的耦合關系，那么處理旁路或去耦的問題時便需要特別小心。圖 1 所示的是能夠滿足FPGA芯片供電需要的典型電源管理系統。一般來說，FPGA芯片最低限度需要兩個電壓為其提供供電。一個是專為“核心”提供供電的電壓 （1.0 伏 （V） 至 2.5 伏 ［典型值］），而另一個是專為輸入/輸出提供供電的電壓 （3.3 伏 ［典型值］）。許多FPGA芯片更另外需要第三個低噪音、低紋波的電壓，以便為輔助電路提供供電。FPGA芯片所需的典型供電電壓是 2.5 伏或 3.3 伏，但不同系列的FPGA芯片各有不同的電壓需要。

異步降壓穩壓器

功能：降壓 （輸出電壓小于輸入電壓）

應用條件：一般來說，當輸入電壓是輸出電壓的 3 倍至 5 倍則輸出電流介于 0.5A 至5A 之間特色：若輸入電壓/輸出電壓/輸出電流的典型值一如以上所提供的數值，設計這款電路便變得非常容易，而且有關設計更可發揮極高的效率

應用范圍：所有降壓穩壓器及控制器同步降壓穩壓器

功能：降壓 （輸出電壓小于輸入電壓）

應用條件：當有高效率的系統要求輸出較高的電流 （5A 以上），或占空比較低 （輸入電壓比輸出電壓大 5 倍以上及/或輸出電流不超過 0.5A）特色：采用基本的降壓穩壓器電路布局，其特點是以第二個開關取代二極管，有助減少上述操作情況下的損耗應用范圍：任何“同步整流”降壓穩壓器或控制器線性穩壓器

功能：降壓 （輸出電壓小于輸入電壓）

應用條件：一般來說，有關應用的輸出電流不能超過 1A，壓降與噪音也必須很低

特色：最適用于固定輸出電壓、低電流及低壓降的系統，而且非常容易設計。

應用范圍：任何低壓降線性穩壓器

建議：最適合微功率系統采用

操作時上述電路的每一電壓并非輸出恒定的電流，事實上電流大小取決于許多與實際應用有關的因素，例如FPGA芯片的速度及使用率等。操作電流可以低至 100mA，也可高至 20A。以這些系統來說，輸入電壓通常比FPGA芯片所獲得的任何供電電壓都要高，因此需要降低其電壓并加以穩壓。圖 2 所示的是適合FPGA芯片采用的三款最常用的降壓穩壓器配置。這三款芯片分別是同步降壓穩壓器、異步降壓穩壓器及線性穩壓器。為系統選用穩壓器時，必須詳細考慮系統的規格要求及穩壓器的操作情況，以便作出配合。若要確保系統設計能順利運作，我們也需要一并考慮以下的問題。

輸入電壓 （VIN）FPGA芯片的供電全部由銀盒、底板或中間供電干線提供。輸入電壓一般介于 3 伏至 15 伏之間，部分工業應用系統的輸入電壓甚至會高達 30 伏。輸入電壓可能不會為某一零件提供供電，因為穩壓器的輸入電壓管腳已設定最高的額定供電量，只可為集成電路提供這一數量的供電。

輸出電壓 （VOUT） 及輸出電流 （IOUT）

穩壓器的主要作用是穩定電壓，換言之，無論輸入電壓及負載電流如何波動，穩壓器都可將輸出電壓穩定在某一水平上。正如先前所說，操作電流可以在低至 100mA與高至 20A 之間的范圍內波動。輸入電壓、輸出電壓及輸出電流等數值一經確定后，便可知道應該選用什么類型的穩壓器。以下是可供工程師參考的一些前人的經驗：

假如功耗不超過 1W，應采用線性穩壓器

”假如輸入/輸出電壓比小于 2:1，而輸出電流不超過 3A，應采用非同步降壓穩壓器

假如輸入/輸出電壓比大于 2:1，而輸出電流又超過 5A，應采用同步降壓穩壓器穩壓器將參考電壓與出現在反饋管腳上的極小部分輸出電壓加以比較，然后根據反饋的電壓穩定輸出電壓。參考電壓通常規定輸出電壓不能超過某一水平。

部分控制器規定啟動時間不能超過某一時限。由于這個時限上的規定，穩壓器無法調低太大量的輸入電壓。控制器的啟動時間最低時限 （TON min.） 也為輸出電壓設定限幅，限定某一頻率下的輸出電壓不能超過某一水平。例如，啟動時間若超過其最低的時限，輸出電壓便會升越規定的水平。

輸入電壓 （VIN） = 12V

輸出電壓 （VOUT） = 1.2V

1.2V

D = ------------- = 0.1

12V

示功耗的大小。但系統設計工程師很多時并不十分明白效率的真正意義。若輸入電流無限制或電池壽命的長短不那么重要，功耗和效率也就不再成為最需關注的因素。系統耗散的熱能會令系統元件受熱，而溫度的上升幅度與功耗的大小有直接的關系。受影響的元件包括集成電路、金屬氧化半導體場效應晶體管 （MOSFET）、電容器以及電感器。某一面積范圍究竟會耗散多少功率？這一點也很重要。一般來說，1W 的功率若通過一平方吋的銅質表面耗散掉，加上在沒有氣流的影響下，溫度會因受熱而上升 40°C。

例如，假設：

輸出電壓 （VOUT） = 1.5V

輸出電流 （IOUT） = 15A

效率 = 90%

功耗 = 2.5W

這一水平的功率若通過一平方吋的銅質面積耗散掉，會令溫度上升 100°C。

以下是另一可供參考的例子：

輸出電壓 （VOUT） = 1.5V

輸出電流 （IOUT） = 1.5A

效率 = 81%

功耗 = 0.53W

若與前一例子中的 90% 效率比較，這個效率數字看來不大理想。但以這個例子來說，一平方吋面積所耗散的功耗只有 0.53W，令溫度只上升 20°C，相比之下，前一例子的溫度則上升 100°C。以上例子證明功耗比效率顯得更為重要。系統設計工程師若明白這個道理，便可為所設計的系統選擇最理想的效率，以及降低系統的整體成本。體積系統設計所規定的芯片面積或高度如果縮小，不但會增加系統的成本，而且效率也會受到影響。例如，小型電感器的有效串聯電阻 （ESR） 通常都比大型電感器高，而且體積小巧的電感器或小型電解電容器一般都較為昂貴。采用多層式電路板可以縮小體積，但一般來說會增加整體的成本。正如上文所說，部分系統設計工程師可能會刻意提高開關頻率，以便縮小元件體積，但提高開關頻率會增加功率損耗。若果沒有必要而免強縮小電路板，不但會增加成本，而且會將功率損耗降低至不必要的低水平。

系統成本為FPGA芯片提供最具成本效益的供電一直是系統設計工程師的努力方向，但將供電成本盡量降低并不表示要采用最廉價的穩壓器。例如，由于內置場效應晶體管的穩壓器較為昂貴，因此系統設計工程師很多時不加思索便拒絕采用這類穩壓器，但在某些應用情況下，這類穩壓器比設有外置式金屬氧化半導體場效應晶體管的穩壓器更具成本效益。此外，設有外置式場效應晶體管的穩壓器更易受來自電路板的噪音影響。設計簡單而又內置金屬氧化半導體場效應晶體管的高集成度開關穩壓器便不易受噪音的影響，解決了大部分因為靈敏度過高而產生的噪音問題。此外，我們也應放棄采用雙通道降壓轉換器取代兩個單通道開關轉換器這個念頭。由于無需采用多個輸入電容器，因此可以大幅節省成本，而且由于按照設計該兩個相位可以異相操作，因此輸入電容器的均方根 （RMS） 紋波電流可以大幅降低。采用雙相位控制器可以避免拍頻頻率的出現，若采用多個非同步開關穩壓器而它們都以稍微不同的頻率操作，那就必定會產生拍頻頻率。我們不要忘記，真正的成本是系統物料清單上所開列的成本，并不是只計算個別元件的成本。采用FPGA的系統除了要符合這些規定之外，可能還要符合下列任何一項或多項的特別要求：瞬態響應FPGA芯片的核心電壓會產生極高轉換率的電流。為此，控制器必須一方面提供較大的階梯級負載電流，而另一方面又必須將輸出電壓所承受的干擾減至最低。控制器因應這些負載作出響應的能力也因此稱為瞬態響應。瞬態響應、輸出電容及其有效串聯電阻一旦確定后，會將操作帶寬限定在某一范圍之內。

排序及跟蹤系統啟動時，可能要先啟動某一電源供應，然后才陸續啟動其他的電源供應。若不按照規定的次序啟動電源供應，電源供應便會“鎖定”起來，而FPGA芯片可能會因此而受損或無法執行正常功能。部分FPGA芯片必須在輸入/輸出及核心電壓之間設有排序及/或跟蹤功能。（如欲了解多種不同的排序及跟蹤系統設計方案，可參看圖 3。） 若穩壓器已設有供電正常 （power good）、允許 （enable）、軟啟動及跟蹤等功能，便可輕易添加排序及跟蹤功能，或者以后可以隨時添加這兩個功能，令設計更具靈活性。若沒有這兩個功能，便需加設外接電路以確保可以按照正確次序啟動電源供應。

啟動的要求我們若要為FPGA芯片設定電壓上升率，可以利用軟啟動電容器加以設定。此外，啟動時的上升電壓一般都必須是單調的，而不是下降的。若電源供應的輸出電容較小，啟動時的電壓會受其影響而下跌。容量夠大的電容器可以儲存足夠的電荷，以便為FPGA芯片提供啟動負載瞬態電壓。同步操作同步操作功能的作用是確保兩個或以上的穩壓器可以一同鎖定在某一頻率，以免出現拍頻頻率。沒有這個同步操作功能的系統都會出現拍頻的現象。

總結

由于不同的系統有不同的要求，加上FPGA芯片或特殊應用集成電路各有程度不同的復雜設計，而且使用率也不盡相同，因此電源供應器的配置必須因應不同的要求而作出不同的安排。除了輸入電壓、輸出電壓及輸出電流之外，我們也要考慮其他的特別要求如排序、跟蹤及啟動等條件。此外，我們設計系統時也需要顧及功耗、體積及成本對系統的影響。