本文将深入探讨有关fpga芯片的电源管理问题，并以便携式电子产品作为实例进行深入的分析。讨论范围包括：为便携式系统的fpga芯片提供供电所面对的系统方面的问题；内核电压单调上升的问题；如何利用电压调节技术及为fpga芯片提供背部衬底偏压(back body biasing)以提升效率。

    无论是网络设备、通信设备、工业系统还是汽车电子系统，都普遍采用现场可编程门阵列(fpga)芯片。因为fpga芯片在实际应用中具有高度的灵活性，同时还具有可重新配置的特点，因此成为上述各种电子产品所不可缺少的基本元件。最近，fpga芯片的应用范围进一步扩大，甚至广泛应用到各种电子消费产品中，例如机顶盒、dvd录像机及电子游戏机。预计fpga芯片的应用范围会进一步扩大，相信在全球定位系统、医疗设备、测量仪表以及便携式设备中的应用会有进一步的增长。

    为何设计便携式及手持电子产品的工程师纷纷改用fpga芯片？原因是多方面的，例如工艺技术不断改善、芯片的功耗及成本也大幅降低、体积越趋小型化。然而，便携式电子产品若采用fpga芯片，电源管理便会成为系统方面要面对的一个大问题。

    图1：实现先进的电压调节的功能示意图。

    不同系统对电源供应有不同的要求，明白这一点极为重要，因为供电的输入电压、复杂的启动情况、瞬态响应、供电的顺序等问题必须解决。fpga芯片需要多个不同的供电电压，例如内核电压(0.9v至2.5v)、i/o电压(2.5v至3.3v)以及专为辅助电路提供供电的低噪音、低纹波电压(典型2.5v或3.3v)。此外，若fpga芯片的供电来自电池，系统效率及电池寿命的问题便变得极为重要。

    fpga电源管理挑战

    无论采用什么类型的fpga芯片，最终的系统决定了将面临怎样的电源挑战。例如，可以接收卫星广播的dvd录像机除了必须为fpga供电外，还需另外提供数十组其它电压。对于这样的系统而言，电源器的体积及效率不是最重要的考虑因素，最重要的是必须降低成本。但对于以电池供电的系统来说，效率必然重于一切。

    便携式电子产品使用中以及进入待机状态的效率非常重要，因为效率会直接影响电池寿命及工作时间的长短。以采用电池供电的系统为例，输入电压一般介于1.8v至5.5v之间。这类产品大多采用两枚aa电池或1枚锂电池作为电源，而这些电池的电压大部分介于3v至4.2v之间。一般工作电流不会超过1.5a，大部分系统所需的电流都不会超过600ma。尽管对于采用哪种降压转换器解决方案为fpga供电有一套一般性的指导原则，但便携式电子产品有它的独特要求，即使处于待机状态，效率也必须维持在较高的水平，以便延长电池寿命。

    对于便携式系统来说，同步降压dc/dc转换器是fpga芯片的理想供电方案，而且即使负载电流较低效率也非常理想。但一般的dc/dc转换器有一个缺点，例如负载较小时，效率便会大受影响。同步降压dc/dc转换器的优点是，即使负载处于“满功率”状态或工作完全停止，对效率也不会产生什么大的影响，因为转换器的功能可以关掉。由于fpga芯片设有通电待机状态，在为处于待机状态的fpga芯片供电时，转换器会继续工作在最高开关频率，产生无谓的功耗。便携式系统采用的转换器必须增加跳脉冲(pulse-skipping)或脉冲频率调制(pfm)模式，以便在待机状态时可以改用这个模式。

    典型的固定频率同步降压转换器工作在连续导通模式下，其工作频率会固定不变，但若采用pfm模式工作，转换器便有较大的灵活性，例如负载电流降低时，便可改用可变频率、固定开启时间的工作方式，采用不连续模式工作，以减低开关损耗。

    这类转换器内置比较器，可以固定频率(fpfm)对输出电压(vo)采样，然后将这个输出电压与参考电压(vref)加以比较，若输出电压低于参考电压，转换器便会利用脉宽调制(pwm)模式产生固定开启时间的脉冲，为输出电容器进行充电。

    转换器会继续以pfm模式工作，直至输出电流超过某一阈值为止，达到这个阈值后，转换器便会重新采用pwm模式工作。负载较小时，采用pfm模式工作有两大优点：首先，采用pfm模式时，大量内部电路都已被关闭，因此dc/dc转换器的供电电流会大幅下降；另外，由于有需要时才进行开关工作，因此输出级的开关损耗可以降至最低。

    图2：该