基于TPS6211X的FPGA高效电源设计

3 应用和实现

与LDO(线性稳压)型电源器件不同，TPS6211X系列器件是DC／DC(开关型)型的电压转换器。开发手持式测试仪表中，ARM和FPGA是两个主要器件，ARM作为主控器件，承载操作系统，负责全局任务的调度和电源管理，FPGA作为主要的运算单元，是消耗电能的主要模块，因此做好FPGA模块的电源管理可明显改善系统性能。

3．1 FPGA器件简介及其电源配置分析

在研制的手持式测试仪中，采用Cyclone III EP3C40_780的FPGA器件。Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代产品。CycloneIII FPGA系列前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能，进一步扩展了FPGA在成本敏感领域中的应用。

FPGA器件内核电压和I／O，电压的上电时序应遵循一定的顺序，即内核上电时间不迟于I／O上电时间。虽然Cy-cloneIII FPGA系列器件对此无特殊要求，但遵循一定的上电条件是有益的，例Altera公司的Cyclone III必须让VC-CINT电源在3～9 ms(快速上电模式)或50～200 ms(标准上电模式)内上电，而TPS6211X系列器件的典型的启动时间为1 ms(1 MHz)，完全满足此要求。

在所有代码编译完成之后，利用Quartus II开发平台计算其内部资源的使用情况并估算功耗：1．2 V／3 A(内核电压和PLL所需数字电压)，2．5 V／1 A(PLL所需模拟电压)，3．3V／1 A(I／O电压)。

3．2 方案的选择

在手持式测试仪中，选用7．2 V锂电池供电，这一属性是选择TPS6211X系列电源器件的主要原因。有两种电源管理方案可供选择，如表2所示。

3．3 电路实现

根据选择的方案2以及TPS6211x的数据手册，电路连接如图3和图4所示。两个电路中的电感、电容、电阻均采用贴片型封装，可最大程度减少PCB面积。电感的直流电阻越小越好(几十毫欧)，饱和电流须高于最大输出电流，由此选择电源型电感，以减少热损耗；输入端电容可采用无极性的陶瓷电容，输出端电容应采用极性钽电容，电容的耐压值最好在16 V之上，可保证输出电流的单向性和较好的纹波特性。图3中的器件引脚FB是输出电压反馈端，以调整输出电压精度，其外接电阻分压网络中的R3和R4的阻值精度应在5％以上才能得到合适精度的输出电压，R3、R4的关系如下：

式中：VFB是1．153 V，只要给定R4和所需的输出电压Vo就可确定R3。此外，为了器件更好地工作，R3和R4之和应该处在400 kΩ-1 MΩ之间。由TPS62110得到2．5 V的电路与图3相似，其反馈端电阻网络的阻值选择按照式(1)可得到。由TPS62112得到5 V的电路与图4相似，不再重复。

需要注意：系统中电源器件的输出电流较大，所以其散热端PowerPAD要与PCB的铜板有良好接触。当系统某一电压需要较大的驱动电流时，可以采用并联的方法满足要求。在研制的手持式测试仪中FPGA需要电源为1．2 V／3 A,2．5V／1 A，3．3 V／1 A，于是可以将两路TPS62110并连。得到最大3．6 A的驱动电流，实践证明是完全可行的。这种做法不仅可满足FPGA器件的需求．还能为系统的其他模块提供一部分支持。

4 结语

虽然作为手持设备能量来源的锂电池的容量越来越大，但随着功能的完善，手持设备的总功耗也在不断增加，而锂电池容量的能量体积比是有限的，这就要求不断提高电源器件的转换效率和改善电源管理方案。这里的TPS6211X电源转换器件在系统里稳定，能够为FPGA器件提供良好的电压支持，达到了预期的目标。