【我的WEBENCH得意之作】FPGA供电--Altera Cyclone V最新系列FPGA

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【我的WEBENCH得意之作】FPGA供电--Altera Cyclone V最新系列FPGA [复制链接]

(1)    设计目标：

• 为Altera Cyclone V（5CEBA7F31）设计系统供电；
• 内核电压1.1V，PLL为2.5V，I/O各bank及VCCPD供电3.3V；
• 要求整体高效率，对高度有要求，不用控制成本；
  

(2)    设计思路：

通过TI官网主页WEBNECHDesigner中的FPGA电源设计功能，设置基本的电压、电流、温度等参数；然后按照希望达到的效果，调节WENBENCH优化工具，获得最符合自己要求的解决方案。

(3)    WEBENCH设计过程：

        a)        进入FPGA/uP，选择Altera，点击“FPGA Architect”进入如下界面。

        选择FPGA的时候，最重要的是选对FPGA的系列！！！（本设计是为5CEBA7F31设计，但是选项里没有，没有关系！选择是同样系列的5CEFA7F31C8N也可以。因为两者都是Cyclone V E系列的，各性能只有“Embedded Hard IPs”不一样，其他的逻辑数量，引脚数，工作温度等都是一样。对这里的供电完全没有影响。故选择图中所示的5CEFA7F31）

选完FPGA的系列之后，就意味着VCC（内核电压）和VCCA_PLL已经选定，不可更改。

可更改的只有各个I/O Bank的电压和VCCPD。I/O根据自己板子设计需要来选择，VCCPD需要仔细查看FPGA的数据手册。本设计根据需要均设置为3.3V。

注意事项：设计FPGA的开发板，一定要熟读FPGA的手册，注意各个细节才能设计出完美的板子，日后也少些BUG。

通过Altera官网提供的功耗评估软件，及实际电路各模块分析，得到系统1.1V，2.5V和3.3V所需要的电流分别为2A，1A，2A。

下一步设置各电压的电流。如图所示，设置好VCC和VCC_PLL的电流为2A和1A。

由于I/O各Bank的电流需求暂不明确，但是整体所需的电流（2A）是知道的，因为均分给各Bank0.2A，8个Bank为1.6A，加上VCCPD的0.4A，3.3V的电流需求即为2A。

进入设计，按照图上1到4的顺序来快速选定符合自己的设计方案。

    标号1：可以根据设计要求（最小面积，最低BOM成本，最高效率等）来优化设计。

à本设计对效率要求较高，而对板子面积，BOM成本均没有要求，故此处将优化调节到5（最高效率）。

    标号2：调节细节参数。包括效率，BOM，大小和BOM数量等参数。

à本设计对效率要求很高，故将滑钮调节到90%以上。

    标号3：基于以上两步的设置和筛选，最后看到就是适用的解决方案。可以根据自己的综合要求选择最合适的一个。

à本设计按照效率排序，最后选择了标号4所示的方案。

b)        进入项目细节设置。

该方案给出的三个电源分别是TPS54678，TPS62180，TPS54418。但是通过查看TPS54678的手册可知，TPS54678是具有集成FET的2.95V至6V输入，0.6V至4.5V输出，6A，2MHz同步降压电流模式转换器。而且TPS54678的效率也足够高。

考虑一个问题：为了设计、调试和采购的方便是否可以用TPS54678代替TPS62180和TPS54418？

答案是肯定的，如下图。在SUPPLY_2，即2.5V供电的通道。推荐方案是TPS62180，但是在WEBENCH里可以选择替代电路，可以我也确实找到了TPS54678！同样的在SUPPLY_3里面也找到了TPS54678。

最后的方案如下图所示。均为TPS54678，而且整体效率从原来的96.8%升到了97.5%！

       C)        下面是该方案的细节设计。

Ø  包括效率曲线，占空比曲线；原理图；热仿真；材料清单；并且可以导出各类PCB设计工具（Altium Designer、Cadence等）所需的原理图，芯片封装和PCB版图。超级赞！再也不用担心画错封装了！！

Ø  其中的材料清单选项是另一个可以更改设计选项的地方。可以更改设计中使用到的电阻、电容、电感。可以选择不同厂商的，不同封装大小的，甚至是电感值，但是最终也会影响电源效率曲线等。

图中黑色椭圆框圈住的部分就是更改了电感之后的材料清单。原来的电感太大太高，因为有三路电源，所以选了电感体积较小的。

Ø  热仿真

基本没有发热严重的地方，说明设计很合理。

    d)        导出设计。

点击“Export”按钮。可以导出各类PCB设计工具所需的原理图，封装库，和Layout。

点击“打印”按钮。可以导出原理图，材料清单，特性曲线等内容。

à本设计选用Altium Designer。依次导出AD的原理图和PCB，供设计参考使用。

个人技巧强力推荐：很多电源芯片的封装是异型焊盘，自己画比较麻烦。建芯片的封装库的时候，打开导出的PCB工程，可以直接拷贝芯片的封装到自己的PCB库，又快又不用担心画错！

(4)    实际设计过程：

    a)        完全参考给出的参考设计，绘制原理图。并制作封装库。

    三路除了电压设置不一样，电感感值不一样，其他的设计都是一样的。很方便！

    b)        实际PCB设计。从左到右分别为3.3,2.5V,1.1V.

    c)        焊接制作板子：焊接制作成品板子，如下面两图所示。

(5)    实际板子参数测量

     用万用表测试电压输出。图太多，就只放一张图，如图测出的是3.311V，因为是数字电源，所以满足要求。另外两路分别为2.521V和1.116V。

      用示波器测试纹波。下图为DC-DC噪声输出。频率大概为200K，峰峰值30mV。

个人技巧强力推荐：DC-DC噪声测量方法。

         因为DC-DC的开关频率一般都比较高，所以左图中，长的接地线和探针形成的环会产生一个高频的干扰。而右图中，用接地小环，基本上已经没有了环路，高频干扰噪声就会很小，这样测的得纹波才会比较准确。

(6)    设计与实际的比较

	面积	成本	效率	纹波
推荐设计	大	低	高	未知
实际设计	小	高	未测	偏大

a)        面积：实际板子设计要比WEBENCH推荐布局要更紧凑，更小；

b)        成本：成本比列表所示贵。芯片是通过第三方渠道购买，成本更高；

c)        效率：暂时没有办法测量。实际工作中，电感自身损耗的差异性，电阻电容的误差，环境温度，测试条件的不一样等等因素，应该没有推荐的高。

d)        纹波：DC-DC实际输出的纹波30mV，按照经验值看，有些偏大。

(7)    WENBENCH使用感受：

1）   TI的WEBENCH实在是越来越强大了，从开始的电源设计，发展到现在连滤波器也可以设计。电源设计覆盖也越来越全面，现在项目中电源模块的设计已经离不开WEBENCH。

2）   流畅程度有了很大的进步，以前点“返回”按钮会经常卡死，现在完全没有压力，很赞；

3）   功能越来越多，材料清单更换的内容也越来越多，设计更加轻松；

4）   不过电气仿真功能加载速度是在有些慢，热仿真功能也有这个问题，可能跟这个工具是基于网页的有关；

5）   导出Altium Designer工程，很多时候原理图工程无法打开，而且选择了导出Footprint LIB，但实际并没有。

iversn

非常好，学习了，谢谢！请问“由于I/O各Bank的电流需求暂不明确，但是整体所需的电流（2A）是知道的，因为均分给各Bank0.2A，8个Bank为1.6A，加上VCCPD的0.4A，3.3V的电流需求即为2A。”每个bank所需电流和vccpd所需电流是如何确认的？

wangyi39

正需要这个，谢谢