【導(dǎo)讀】隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，這種復(fù)雜性決定了，在FPGA每次更新?lián)Q代時(shí)電源都要提高精度、靈活性、可控性、效率和故障感知能力，還要減小體積。因此尋找為FPGA供電的最佳解決方案并不簡單，一種為特定FPGA尋找優(yōu)秀供電解決方案的流行方法，是使用許多FPGA供應(yīng)商均提供的已有電源管理參考設(shè)計(jì)。
1965年，戈登·摩爾在《電子學(xué)雜志》發(fā)表了著名的“摩爾定律”。他在文中稱，通過觀察他發(fā)現(xiàn)，單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量每年都在翻倍；他同時(shí)預(yù)測(cè)，這種趨勢(shì)應(yīng)會(huì)繼續(xù)下去。然而隨著晶體管的尺寸縮小到納米級(jí)，一些嚴(yán)重的副作用日益凸顯，其中最明顯的是電壓裕量：隨著電壓的減小，晶體管驅(qū)動(dòng)電流(IDSAT)卻不斷增大，由此造成了漏電流以及電路的功率泄露。由于尺寸減小后的每一代晶體管都需要更低的電源電壓，由此導(dǎo)致晶體管強(qiáng)度和泄漏增加，再加上芯片上器件數(shù)量不斷增多，結(jié)果形成了進(jìn)行電壓管理的需求——為了滿足每個(gè)特定器件的需求，電源電壓必須嚴(yán)格控制并且主動(dòng)可調(diào)。
現(xiàn)代FPGA是有史以來最復(fù)雜的集成電路之一，它們采用最先進(jìn)的晶體管技術(shù)和頂尖的架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)令人難以置信的靈活性和最高的性能。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，這種復(fù)雜性決定了，在FPGA每次更新?lián)Q代時(shí)電源都要提高精度、靈活性、可控性、效率和故障感知能力，還要減小體積。因此尋找為FPGA供電的最佳解決方案并不簡單，一種為特定FPGA尋找優(yōu)秀供電解決方案的流行方法，是使用許多FPGA供應(yīng)商均提供的已有電源管理參考設(shè)計(jì)。這對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)來說是一個(gè)很好的入門方式，但此類設(shè)計(jì)往往需要修改。作為高性能模擬器件專業(yè)提供商，ADI可以為FPGA提供從電源管理選型與優(yōu)化工具LTpowerCAD到全套電源管理系統(tǒng)PSM的完整解決方案，以使FPGA實(shí)現(xiàn)最佳的效率、速度和功率水平。
FPGA可配置架構(gòu)
如何選擇合適的DC-DC轉(zhuǎn)換器為FPGA供電？
LTpowerCAD 可用來為各個(gè)電壓軌提供電源解決方案，還提供一系列參考設(shè)計(jì)，以讓設(shè)計(jì)人員快速入門，且該工具可以免費(fèi)下載。一旦選擇了電源架構(gòu)和各個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，就需要選擇合適的被動(dòng)組件來設(shè)計(jì)電源。進(jìn)行這件事時(shí)，需要牢記 FPGA 的特殊負(fù)載要求，它們分別是：
Ø 各項(xiàng)電流需求
FPGA的實(shí)際電流消耗在很大程度上取決于使用情況。不同的頻率和不同的FPGA內(nèi)容需要不同的功率，因此，在FPGA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，典型FPGA設(shè)計(jì)的最終電源規(guī)格必然會(huì)發(fā)生變化。為了利用此類功率估算工具獲得有意義的結(jié)果，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)必須最終確定，或者至少接近最終完成。
Ø 電壓軌時(shí)序控制
許多FPGA要求不同電源電壓軌以特定順序上電。核心電壓的供應(yīng)往往需要早于I/O電壓的供應(yīng)，否則一些FPGA會(huì)被損壞。為了避免這種情況，電源需要按正確的順序上電。使用標(biāo)準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換器上的致能接腳，可以輕松實(shí)現(xiàn)簡單的上電時(shí)序控制。然而，組件關(guān)斷通常也需要時(shí)序控制，僅執(zhí)行致能接腳時(shí)序控制，很難取得良好的結(jié)果。更好的解決辦法是使用具有進(jìn)階整合時(shí)序控制功能的 PMIC，例如集成四通道低噪聲降壓穩(wěn)壓器的電源解決方案——ADP5014。
Ø 電壓軌單調(diào)上升
除了電壓時(shí)序之外，啟動(dòng)過程中還可能要求電壓單調(diào)上升，這意味著電壓僅線性上升。在啟動(dòng)過程中，當(dāng)電壓上升到一定電平時(shí)負(fù)載開始拉大電流，就會(huì)發(fā)生電壓非單調(diào)上升的情況，防止這種情況的一種辦法，是延長電源的軟啟動(dòng)時(shí)間，并選擇能夠快速提供大量電流的電源轉(zhuǎn)換器。
Ø 快速電源瞬變
FPGA的另一個(gè)特點(diǎn)是它會(huì)非常迅速地開始汲取大量電流，這會(huì)在電源上造成很高的負(fù)載瞬變。針對(duì)電源的負(fù)載瞬變和啟動(dòng)行為，開發(fā)工具鏈(包括LTpowerCAD，尤其是LTspice)非常有幫助。該工具可以達(dá)到良好的建模和模擬，從而有效實(shí)現(xiàn)FPGA的大輸入電容與電源的輸出電容的去耦。
Ø 電壓精準(zhǔn)度
FPGA電源的電壓精準(zhǔn)度通常要求非常高，3%的變化容差帶相當(dāng)常見。例如，為使0.85V的Stratix V核心電壓軌保持在3%的電壓精準(zhǔn)度窗口內(nèi)，要求全部容差帶僅為25.5mV，這個(gè)小窗口包括負(fù)載瞬變后的電壓變化，以及直流精準(zhǔn)度。同樣，對(duì)于此類嚴(yán)格要求，包括LTpowerCAD和LTspice在內(nèi)的可用電源工具鏈在電源設(shè)計(jì)過程中非常重要。
應(yīng)對(duì)電源系統(tǒng)管理面臨的挑戰(zhàn)
工程師應(yīng)該將大部分時(shí)間用于編程——他們不希望花費(fèi)時(shí)間和精力去考慮如何設(shè)計(jì)合適的電源。實(shí)際上，最佳供電方案就是采用一種既能滿足項(xiàng)目當(dāng)前需求，又能達(dá)到項(xiàng)目升級(jí)發(fā)展需求的，強(qiáng)大、靈活且行之有效的設(shè)計(jì)方案。PSM是ADI公司推出的專門針對(duì)FPGA電源系統(tǒng)所有要求的解決方案。該產(chǎn)品組合的優(yōu)勢(shì)包括：
ü 首屈一指的電壓精度（優(yōu)于±0.5％）
ü 搭載EEPROM存儲(chǔ)器，全面的自主性
ü 完全可編程的集成式電源定序功能，橫跨整個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立上下時(shí)序功能
ü 強(qiáng)大的集成式全系統(tǒng)故障管理
ü 綜合遙測(cè)功能：電壓、電流、溫度和狀態(tài)
ü 協(xié)調(diào)式IC系列可解決電源系統(tǒng)各個(gè)領(lǐng)域的問題
Intel Arria 10 SoC開發(fā)套件展示基于LTM4677電源系統(tǒng)管理解決方案
上圖展示了Intel Arria 10 SoC開發(fā)套件采用ADI LTM4677電源系統(tǒng)管理解決方案。在該設(shè)計(jì)中，內(nèi)核電源的工作電壓為0.95 V，工作電流為30 A。由于這些電源要求相對(duì)寬松，單個(gè)LTM4677模塊就可輕松提供所需電流（最高36 A）。對(duì)于要求更多電流的且條件更為苛刻的應(yīng)用，最多可以并行運(yùn)行四個(gè)LTM4677模塊，以提供高達(dá)144 A的電流。
單個(gè)LTM4677提供高達(dá)36 A的電流
該解決方案在電路板空間利用率方面達(dá)到了最佳水平，因?yàn)榧傻?mu;Module器件只需極少的外部元件，而PMBus接口又使得我們可以配置這些器件，無需改動(dòng)硬件。微模塊是復(fù)雜程度最低的解決方案，因?yàn)槠渲腥诤狭嗽S多復(fù)雜的模擬考慮因素，如電源開關(guān)、電感、電流和電壓檢測(cè)元件、環(huán)路穩(wěn)定性和散熱。借助圖形用戶界面，用戶可以全面控制電源。此外，8通道PMBus兼容型電源系統(tǒng)管理器LTC2977能將電壓伺服到編程目標(biāo)的0.25％以內(nèi)，其可與LTM4677 μModule器件無縫協(xié)作，實(shí)現(xiàn)定序和故障響應(yīng)，使整個(gè)電源系統(tǒng)保持統(tǒng)一且易于編程。
LTC2977可管理任意電源電壓
系統(tǒng)中的大多數(shù)電源軌需要適度的電流（小于13 A）和適度的電壓容差。這些可由非PSM器件（如LTM4620）提供，并由LTC2977進(jìn)行定序和管理。這樣就在電路板面積、復(fù)雜性和成本之間達(dá)到了非常有效的平衡。還有一些電源軌（如PLL和收發(fā)器電源）需要的低噪聲超過了開關(guān)穩(wěn)壓器的能力范圍，需要采用線性穩(wěn)壓器。LTC3025-1 和 LTC3026-1 能很好地滿足這些功能要求，從它們的輸出里消除開關(guān)噪聲和負(fù)載導(dǎo)致的噪聲。這些也可由LTC2977管理，對(duì)故障條件進(jìn)行定序、修整和處理。
總結(jié)
在FPGA發(fā)展的每個(gè)層次和每個(gè)設(shè)計(jì)階段，電源對(duì)于FPGA的成功都扮演著重要的、看不見的角色。通過 ADI 的 LTpowerCAD，設(shè)計(jì)師可以通過直接輸入電壓軌和電流得到所需的電源解決方案，同時(shí)該公司的PSM產(chǎn)品系列也為用戶提供了精確、堅(jiān)固、靈活、緊湊且易用的電源選擇。
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