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为 FPGA 设计一款理想的电源

时间：2021-04-26 15:31来源：21 Dianyuan

摘要：现代FPGA是有史以来最复杂的集成电路之一，它们采用最先进的晶体管技术和顶尖的架构，以实现令人难以置信的灵活性和最高的性能。随着时间的推移和技术的进步，这种复杂性决定了，在FPGA每次更新换代时电源都要提高精度、灵活性、可控性、效率和故障感知能力，还要减小体积。因此寻找为FPGA供电的最佳解决方案并不简单，一种为特定FPGA寻找优秀供电解决方案的流行方法，是使用许多FPGA供应商均提供的已有电源管理参考设计。

1965年，戈登·摩尔在《电子学杂志》发表了著名的“摩尔定律”。他在文中称，通过观察他发现，单个芯片上的晶体管数量每年都在翻倍；他同时预测，这种趋势应会继续下去。然而随着晶体管的尺寸缩小到纳米级，一些严重的副作用日益凸显，其中最明显的是电压裕量：随着电压的减小，晶体管驱动电流(IDSAT)却不断增大，由此造成了漏电流以及电路的功率泄露。由于尺寸减小后的每一代晶体管都需要更低的电源电压，由此导致晶体管强度和泄漏增加，再加上芯片上器件数量不断增多，结果形成了进行电压管理的需求——为了满足每个特定器件的需求，电源电压必须严格控制并且主动可调。
 
现代FPGA是有史以来最复杂的集成电路之一，它们采用最先进的晶体管技术和顶尖的架构，以实现令人难以置信的灵活性和最高的性能。随着时间的推移和技术的进步，这种复杂性决定了，在FPGA每次更新换代时电源都要提高精度、灵活性、可控性、效率和故障感知能力，还要减小体积。因此寻找为FPGA供电的最佳解决方案并不简单，一种为特定FPGA寻找优秀供电解决方案的流行方法，是使用许多FPGA供应商均提供的已有电源管理参考设计。这对于优化设计来说是一个很好的入门方式，但此类设计往往需要修改。作为高性能模拟器件专业提供商，ADI可以为FPGA提供从电源管理选型与优化工具LTpowerCAD到全套电源管理系统PSM的完整解决方案，以使FPGA实现最佳的效率、速度和功率水平。
 
 
FPGA可配置架构
 
如何选择合适的DC-DC转换器为FPGA供电？
LTpowerCAD 可用来为各个电压轨提供电源解决方案，还提供一系列参考设计，以让设计人员快速入门，且该工具可以免费下载。一旦选择了电源架构和各个电压转换器，就需要选择合适的被动组件来设计电源。进行这件事时，需要牢记 FPGA 的特殊负载要求，它们分别是：
 
Ø 各项电流需求
FPGA的实际电流消耗在很大程度上取决于使用情况。不同的频率和不同的FPGA内容需要不同的功率，因此，在FPGA系统的设计过程中，典型FPGA设计的最终电源规格必然会发生变化。为了利用此类功率估算工具获得有意义的结果，FPGA的设计必须最终确定，或者至少接近最终完成。
 
Ø 电压轨时序控制
许多FPGA要求不同电源电压轨以特定顺序上电。核心电压的供应往往需要早于I/O电压的供应，否则一些FPGA会被损坏。为了避免这种情况，电源需要按正确的顺序上电。使用标准DC-DC转换器上的致能接脚，可以轻松实现简单的上电时序控制。然而，组件关断通常也需要时序控制，仅执行致能接脚时序控制，很难取得良好的结果。更好的解决办法是使用具有进阶整合时序控制功能的 PMIC，例如集成四通道低噪声降压稳压器的电源解决方案——ADP5014。
 
Ø 电压轨单调上升
除了电压时序之外，启动过程中还可能要求电压单调上升，这意味着电压仅线性上升。在启动过程中，当电压上升到一定电平时负载开始拉大电流，就会发生电压非单调上升的情况，防止这种情况的一种办法，是延长电源的软启动时间，并选择能够快速提供大量电流的电源转换器。
 
Ø 快速电源瞬变
FPGA的另一个特点是它会非常迅速地开始汲取大量电流，这会在电源上造成很高的负载瞬变。针对电源的负载瞬变和启动行为，开发工具链(包括LTpowerCAD，尤其是LTspice)非常有帮助。该工具可以达到良好的建模和模拟，从而有效实现FPGA的大输入电容与电源的输出电容的去耦。
 
Ø 电压精准度
FPGA电源的电压精准度通常要求非常高，3%的变化容差带相当常见。例如，为使0.85V的Stratix V核心电压轨保持在3%的电压精准度窗口内，要求全部容差带仅为25.5mV，这个小窗口包括负载瞬变后的电压变化，以及直流精准度。同样，对于此类严格要求，包括LTpowerCAD和LTspice在内的可用电源工具链在电源设计过程中非常重要。
 
应对电源系统管理面临的挑战
工程师应该将大部分时间用于编程——他们不希望花费时间和精力去考虑如何设计合适的电源。实际上，最佳供电方案就是采用一种既能满足项目当前需求，又能达到项目升级发展需求的，强大、灵活且行之有效的设计方案。PSM是ADI公司推出的专门针对FPGA电源系统所有要求的解决方案。该产品组合的优势包括：
ü 首屈一指的电压精度（优于±0.5％）
ü 搭载EEPROM存储器，全面的自主性
ü 完全可编程的集成式电源定序功能，横跨整个系统的独立上下时序功能
ü 强大的集成式全系统故障管理
ü 综合遥测功能：电压、电流、温度和状态
ü 协调式IC系列可解决电源系统各个领域的问题
 
 
Intel Arria 10 SoC开发套件展示基于LTM4677电源系统管理解决方案
 
上图展示了Intel Arria 10 SoC开发套件采用ADI LTM4677电源系统管理解决方案。在该设计中，内核电源的工作电压为0.95 V，工作电流为30 A。由于这些电源要求相对宽松，单个LTM4677模块就可轻松提供所需电流（最高36 A）。对于要求更多电流的且条件更为苛刻的应用，最多可以并行运行四个LTM4677模块，以提供高达144 A的电流。
 
 
单个LTM4677提供高达36 A的电流
 
该解决方案在电路板空间利用率方面达到了最佳水平，因为集成的μModule器件只需极少的外部元件，而PMBus接口又使得我们可以配置这些器件，无需改动硬件。微模块是复杂程度最低的解决方案，因为其中融合了许多复杂的模拟考虑因素，如电源开关、电感、电流和电压检测元件、环路稳定性和散热。借助图形用户界面，用户可以全面控制电源。此外，8通道PMBus兼容型电源系统管理器LTC2977能将电压伺服到编程目标的0.25％以内，其可与LTM4677 μModule器件无缝协作，实现定序和故障响应，使整个电源系统保持统一且易于编程。

 
LTC2977可管理任意电源电压
 
系统中的大多数电源轨需要适度的电流（小于13 A）和适度的电压容差。这些可由非PSM器件（如LTM4620）提供，并由LTC2977进行定序和管理。这样就在电路板面积、复杂性和成本之间达到了非常有效的平衡。还有一些电源轨（如PLL和收发器电源）需要的低噪声超过了开关稳压器的能力范围，需要采用线性稳压器。LTC3025-1 和 LTC3026-1 能很好地满足这些功能要求，从它们的输出里消除开关噪声和负载导致的噪声。这些也可由LTC2977管理，对故障条件进行定序、修整和处理。
 
总结
在FPGA发展的每个层次和每个设计阶段，电源对于FPGA的成功都扮演着重要的、看不见的角色。通过 ADI 的 LTpowerCAD，设计师可以通过直接输入电压轨和电流得到所需的电源解决方案，同时该公司的PSM产品系列也为用户提供了精确、坚固、灵活、紧凑且易用的电源选择。
 

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