低电压PLD/FPGA的供电设计

由于半导体制造工艺的原因，低电压器件的成本比传统5V器件更低，性能更优，加上多数器件的I/O脚可以兼容5v/3.3v TTL电平，可以直接使用在原有系统中，所以各大半导体公司都将3.3v,2.5v等低电压集成电路作为推广重点，如高端的DSP,PLD/FPGA产品已广泛采用3.3v,2.5v甚至1.8v,1.5v供电。 面对低电压芯片的广泛使用，我们不得不重新改造我们的电源系统。

世界大规模集成电路供电发展趋势

 

那么如何得到3.3v,2.5v等低电压呢？ 通常我们可以采用三种方法：

1． 采用低压差线形稳压芯片（LDO）

线形稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片，基本上不要外围元件。 但是传统的线形稳压器，如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2v-3v以上，否则不能正常工作，但是5v到3.3v的电压差只有1.7v，所以78xx系列已经不能够满足3.3v或2.5的电源设计要求。 面对这类需求，许多电源芯片公司推出了Low Dropout Regulator,即：低压差线形稳压器，简称LDO。这种电源芯片的压差只有1.3-0.2伏，可以实现5v转3.3v/2.5v，3.3v转2.5v/1.8v等要求。 生产LDO的公司很多，常见的有：ALPHA, Linear(LT), Micrel, National semiconductor,TI等

图：AS2815 1.5A低压差线性稳压器应用电路,左边为输出可调型，右边为3.3v固定输出型

 

2． 自己设计开关电源

开关电源也是实现电源转换的一种方法，效率很高，但设计要比使用线形稳压器要复杂得多。但对于大电流高功率或5v->2.5/1.8v的设计，建议采用开关电源。例如一个5v->2.5v,5A输出的电路，如用线形稳压器，则稳压器功耗为：(5-2.5)X5=12.5w,功耗太大，必须加散很大的热片，很不合适。如采用开关电源，例如LT1530,则效率可以达到85%-90%，功耗只有2w左右。 生产这类芯片的公司也很多，如:MAXIM，Linear(LT), National semiconductor等。

图 LT1530-3.3 5v转3.3v/14A 应用电路和效率图

 

3． 直接采用电源模块

考虑到开关电源设计的复杂性，一些公司推出了基于开关电源技术的低电压输出电源模块，可靠性和效率都很高，电磁辐射小，而且可以许多模块可以实现电源隔离。用户只需要加很少的外围元件即可使用。电源模块最大的缺点是价格昂贵。 常见生产电源模块的公司有：agere（原来朗讯的微电子部），Ericsson（爱立信），Vico（怀格）等等

三种电源方案的比较：

	低压差线性稳压器	开关电源	电源模块
优点	所需外部元件数目少，使用方便，成本低，所需电路板空间小(不加散热片时)，纹波小，无电磁干扰	效率高(一般大于80%)，输入电压范围较宽，输出功率大，价格比电源模块便宜很多	效率高(一般大于85%)，输入电压范围较宽，输出功率大，使用方便，电磁干扰小
缺点	效率很低(一般低于70%)，功耗较大	设计较复杂，有电磁干扰，需要一定的设计能力	价格昂贵

 

最终应该采取何种电源设计方案，取决于我们设计的具体要求。通常小功率或对电源效率没有要求的时候，可以采用LDO。 如对效率有较高要求，或电源功率较大，则应该使用电源模块或自己设计开关电源，最终是采用电源模块或自己设计开关电源，则取决于成本要求和自己的设计能力。