基于LM3881的FPGA电源时序控制电路设计.pdf

38 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计摘要：阐述FPGA的电源系统设计中时序控制芯片LM3881的应用，以Virtex-7 FPGA电源系统为例，给出了不同电源的时序电路设计案例，验证了理论分析和设计方法。关键词：电路设计，时序控制，周期可调，FPGA电源。中图分类号：TN402，TN86，TN791 文章编号：1674-2583(2023)06-0038-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.015文献引用格式：李辉，高宁，丁光洲，任永宏.基于LM3881的FPGA电源时序控制电路设计J.集成电路应用,2023,40(06):38-40.本文介绍了一款专用的电源时序芯片LM3881在FPGA电源系统中的电路设计方法。2 时序控制电路设计 2.1 FPGA电源介绍及芯片Virtex-7是由赛灵思公司研发的一款高性能FPGA，高速的数据处理能力使得其对电源的要求较为高。该款芯片的电源系统中大致可分为两条轨道，其中一条的上电顺序依次为VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX、VCCAUX_IO和VCCO；另一条的上电顺序依次为VCCINT、VMGTAVCC、VMGTAVTT或者VMGTAVCC、VCCINT、VMGTAVTT，当然其还有其他电源需求，只是不涉及时序问题，因此本文未提及设计要求。在两条上电顺序中，有相同的电压的不同电源类型在满足推荐上电顺序的前提下可以合并同时上电，其下电顺序建议与上电顺序相反，即电源需满足先上后下的原则4。在常用的系统中，根据FPGA资源配置和利用不同，各电源类型可能存在不同的电压水平要求。VCCINT和VCCBRAM有相同的电压水平设置，VCCINT和VMGTAVCC有相同的电压水平设置，为了满足下电时序要求，本设计中将两条电源时序合并为一条，电源上电时序如图1所示。LM3881是简单的电源时序控制器，为供电系统中多个电源的上电和下电提供了简单的控制方法，0 引言随着信息时代的不断发展和5G通信时代的到来，数据处理量日益增大，对芯片的性能要求也越来越高，由此诞生了一些架构和工艺较为复杂的大型处理器芯片和FPGA。FPGA的出现使得数据处理量更大，速度更快，给我们的设计带来了很多便利1。1 研究背景功能复杂的FPGA内部集成的功能模块较多，随着架构的复杂，其对于电源的要求也越来越高，主要体现在电源种类和电源顺序2。电源种类一般是从0.63.6V之间的不同电压水平，在一个电源系统中称为电源轨，不同电源的启动顺序和间隔时间也有严格的要求；传统的电源启动顺序是通过上一级电源的POWER GOOD和下一级电源EN来控制，这种控制方式的优点是不需要新增控制电路、成本低；缺点是无法控制启动延迟时间、无法保证远程下电顺序；因此传统的控制方式无法保证上一级电源启动达到设计电压值后再启动下一级电源，无法满足FPGA对电源下电的要求3。也有通过系统中处理器实现电源控制，但该方法无法保证整个系统中电源的相对独立运行，设计复杂且成本高。基于LM3881的FPGA电源时序控制电路设计李辉，高宁，丁光洲，任永宏（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 214035）Abstract This paper describes the application of timing control chip LM3881 in the design of FPGA power supply system.Taking Virtex-7 FPGA power supply system as an example,it gives the design cases of timing circuits of different power supplies,and verifies the theoretical analysis and design methods.Index Terms circuit design,timing control,adjustable cycle,FPGA power supply.Design of FPGA Power Supply Timing Control Circuit Based on LM3881LI Hui,GAO Ning,DING Guangzhou,REN Yonghong(The 58th Research Institute of CETC,Jiangsu 214035,China.)作者简介：李辉，中国电子科技集团公司第五十八研究所，硕士；研究方向：信号与信息处理、IC测试。收稿日期：2022-10-25；修回日期：2023-05-23。集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 39Research and Design 研究与设计通过控制电源之间的启动时间延迟，一方面满足负载对电源的时序要求，另一方面避免了多个电源同时启动产生的影响系统可靠性的大涌流5。如图2是具有小体积封装等优点的LM3881时序控制器引脚图，当EN端被使能时，三个输出引脚FLAG1、FLAG2和FLAG3将在设定的延迟时间后依次输出有效电平信号，本文定义有效电平为允许电源启动的电平。从而允许电源按设定顺序启动，在下电时，则相反的顺序输出使电源关闭的信号，该功能满足了FPGA对电源时序要求先上后下的原则6,7。为满足不同电源的控制引脚逻辑需求，该控制器还设计输出电平翻转功能，可通过INV引脚定义输出有效电平是高电平或者低电平。该芯片还可以通过TADJ引脚来设置三个输出之间的延迟时间，为上一级电源完全启动达到设定值后再启动后级电源提供了足够时间，满足了部分负载对电源启动的要求8-13。2.2 硬件电路设计基于两片LM3881的时序控制电路原理图如下图3所示。根据前面描述的FPGA电源时序和电源种类，本文设计的电路中用到了两片LM3881级连，如电路原理图所示，通过第一级的FLAG3控制信号连接到第二级芯片的EN引脚，来控制第二级芯片的启动，通过级联可将控制信号增加至5路，满足5个电源的时序控制需求。在本文设计中，如图3所示，VIN输入电源使用常用的5V电压水平，该电压在电路中有供电和输出控制信号上拉的作用，C1、C4是0.1F的滤波电容，如考虑所控制电源的EN引脚电压要求以及整个系统中现有电源的重复利用，VIN电压可在2.7V至5.5V中选定一个值，避免单独为该模块电路设计供电电源所带来的麻烦；电容C2、C4可设置EN引脚的启动延迟时间，第一级芯片的EN引脚控制信号连接系统处理器，可实现远程控制启停电源的功能，当整个系统不需要FPGA工作时可实现临时远程停止供电，已达到节能减耗的目的；INV引脚接GND设置输出控制信号为高电平有效；TADJ引脚外接电容设置芯片控制信号延迟时间，通过图中C3、C6电容值来设置，在本设计中，为保证级联后下电的时序要求，前级输出控制信号之间的延迟时间设置为后级的三倍，因为在处理器下电使能信号产生后，第一级FLAG3下电控制信号首先动作，要有足够的延迟时间保证第二级三个电源完成下电后第一级FLAG2下电控制信号再动作。2.3 主要参数设计在芯片上电时，如果使能引脚直接上拉至VIN，启动的瞬间输出信号不完全受芯片控制而被VIN上拉，随后芯片内部功能完全启动后被拉低再依次输出有效控制信号，那么输出信号在启动瞬间不受控的时刻会导致其控制的电源短暂的启动，调试过程中表现为输出电压波形在启动前出现毛刺电压，所以本文设计中通过EN引脚外接电容设置了使能延迟时间，从而更好地控制电源的启动过程，计算如式（1）。（1）式中，CEN取值10nF，芯片使能延迟Tenable_delay大约为2ms，本设计中C2、C4的电容值为10nF。需要特别说明，这里的使能延迟时间指的是EN电压从0V到门限值的缓启动时间，并不是EN产生高电平动作后的延迟时间，如图4所示。本设计中通过TADJ引脚外接电容的值来控制输出信号之间的延迟，不同的电容值可调整TCLK时间实现输出延迟调整，如图5所示。时间周期TCLK与外接电容值之间的关系大约为120s/nF，为满足设计要求，C3选择值为33nF的图1 电源时序图图2 LM3881引脚图图3 电路设计原理图40 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计电容，C5选择值为10nF的电容。综上所述，本文设计最终输出控制信号时序图如下图6所示，既满足了上电时依次上电的顺序，也满足下电时先上后下的原则。3 结语本设计主要描述了LM3881时序控制芯片在FPGA电源系统中的应用，实现了电源系统的独立控制，简化了时序控制电路的同时又满足了电源先上后下的原则。控制电路有两级芯片级联设计，（1）第一级芯片的使能信号由处理器控制，能够完成远程控制；（2）第二级信号由第一级控制，增加控制信号数量，满足了系统使用。此外，该电路还在设计以及调试过程中，通过参数调整和计算，避免了控制输出误动作。参考文献1 肖霞.AnDAPT推出面向Microchip PolarFire FPGA的电源解决方案J.计算机与网络,2022,48(02):72-73.2 谢杰,陈政,傅建军.基于FPGA的车牌定位系统研究J.电子与封装,2022,22(01):90-95.3 冯景,张繁.基于可编程逻辑器件的电源上电时序控制J.中国集成电路,2020,29(12):69-72.4 郭文君,姜帆,贾立朋,华明,徐静.基于FPGA的开关电源数字控制技术J.电子测量技术,2021,44(15):172-176.5 L M 3 8 8 1 d a t e s h e e t M .N a t i o n a l Semiconductor.6 肖伟权.LM3881在电源时序控制方面的应用J.硅谷,2013,6(15):106-107.7 顾小明,李欢,徐晴昊.功率级电流路径对电源管理芯片评估的影响J.电子与封装,2022,22(08):18-23.8 李建仁.开关电源数字控制技术进展J.微电子学,2016,46(04):562-566+580.9 罗刚,高荣,江书勇.开关电源的数字控制技术研究J.实验科学与技术,2009,7(02):30-31+34.10 何志阳.基于国产FPGA加速器电源数字控制器设计与实现D.四川：电子科技大学,2022.11 李列文.FPGA低功耗设计相关技术研究D.湖南：中南大学,2014.12 房志东.基于FPGA高频数字开关电源的开发D.安徽：中国科学技术大学,2014.13 严明.基于FPGA的开关电源设计及算法研究D.北京：中国地质大学(北京),2021.图4 使能延迟时间图5 TADJ引脚时间波形图6 控制信号时序