Enpirion電源解決方案：高端嵌入式系統(tǒng)理想之選

　　在技術進步和應用推動的雙重助力下，F(xiàn)PGA和SoC不斷向“全能王”邁進，其特性比以前更豐富、功能也越來越齊全，推動下一代嵌入式系統(tǒng)不斷發(fā)展。與FPGA和SoC的復雜度對應的是，需要更高性能的電源與之匹配，以滿足嚴格的散熱、電源軌、可靠性等要求。而采用傳統(tǒng)模擬的解決方案難以適應這一迫切的需求。在FPGA領域深耕的Altera，早已前瞻性地意識到這一挑戰(zhàn)，通過收購整合和創(chuàng)新的布局，開發(fā)出Enpirion系列數(shù)字電源解決方案，全面應對新挑戰(zhàn)。

　　高端嵌入式系統(tǒng)的電源管理挑戰(zhàn)

　　FPGA和SoC集成度走高，不僅增加了大量IP模塊，加入了大量的混合信號功能，諸如百萬級的邏輯單元、幾十Gbps高速收發(fā)器通路、硬核浮點DSP、集成ARM內核等，其所達到的系統(tǒng)級性能也可謂前所未有。如何給更高復雜性、更多不確定性的FPGA和SoC供電，同時又能滿足系統(tǒng)低功耗設計的需求，已成為一個極具現(xiàn)實性和挑戰(zhàn)性的問題。

　　這些挑戰(zhàn)體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　1.滿足嚴格的FPGA電源軌要求——因所需要的電源軌越來越多，F(xiàn)PGA電壓要求越來越復

　　雜。以前，內核和I/O單元需要兩個電源軌，還有可能采用第三個用于其他功能，而現(xiàn)在的高端FPGA會需要數(shù)十個外部驅動的電源軌。而且，還需要為內核電源軌VCC提供嚴格的±30 mV電源軌靜態(tài)精度，為高速收發(fā)器電源軌提供更嚴格的精度。

　　2.滿足系統(tǒng)功耗和散熱預算限制——盡管高端FPGA和SoC系統(tǒng)的架構和集成度越來越高，但對系統(tǒng)功耗和散熱的要求不降反升，性能與功耗比這個瓶頸需要創(chuàng)新的電源管理解決方案來突破。

　　3.構建魯棒而又可靠的系統(tǒng)——高端嵌入式系統(tǒng)的目標市場包括數(shù)據(jù)中心、高清視頻處理、醫(yī)療、工業(yè)等應用，這些系統(tǒng)對可靠性和安全性的要求更高，要求系統(tǒng)在面對異常和故障情況下能夠保持正常的運作，保證人員的安全，所以可靠的電源管理系統(tǒng)至關重要。

　　4.符合預算要求按時完成其項目——系統(tǒng)的設計成本與設計周期一直是系統(tǒng)設計師最關注也是最渴望解決的難題。如何通過簡化電源的設計來降低系統(tǒng)的成本并縮短設計周期?

　　這些復雜的性能要求需要建立特殊的、優(yōu)化的定制處理資源，現(xiàn)有的電源解決方案，包括模擬轉換器和分立的數(shù)字轉換器都無法理想地滿足高端嵌入式系統(tǒng)的需求。理想的電源管理解決方案除了要滿足嚴格的FPGA電源軌要求，還需要在功耗和散熱預算限制、可靠性、成本以及設計周期等要求之間找到最佳結合點，從而使解決方案的大小、功耗和性能達到一個完美的平衡。

　　Enpirion系列電源解決方案應運而生

　　普適計算、智能空間等概念前所未有地擴展了嵌入式系統(tǒng)的應用范圍。根據(jù)Transparency Market Research的一份最新市場報告，2014年嵌入式系統(tǒng)市場容量為1529.4億美元，預計將以6.4%的年復合增長率增長，到2021年市場容量將達2331.3億美元。

　　嵌入式系統(tǒng)市場不斷“刷新”表現(xiàn)，隨著系統(tǒng)芯片不斷地推陳出新， 而與之配套的電源管理芯片也正成為競爭勝出的關鍵之一所在。但從市場來看，解決這些難題非“量身定制”電源IC不可。Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國區(qū)高級業(yè)務經(jīng)理張偉超提到，一般大型電源公司的電源IC會有很多不同的應用領域，例如消費類移動市場，車載市場，通訊市場等。他們不太會也不可能把全部的精力投入到FPGA/ASIC/SOC供電領域， 恰恰這個領域對電源性能要求極高且推廣極具挑戰(zhàn)而且，只有深刻地了解FPGA/SOC的核電源和高速接口供電特性，供應商才能設計出最適合其應用要求的電源IC，為整體的系統(tǒng)性能提升提供最佳的服務。

　　Altera的選擇可謂“對癥下藥”，即通過收購電源企業(yè)來量身定制電源IC，在去年5月份即收購了Enpirion電源公司。通過近年來的不斷整合和創(chuàng)新，開發(fā)出Enpirion系列電源解決方案全面應對新挑戰(zhàn)。

　　在四大關鍵領域實現(xiàn)創(chuàng)新

　　Enpirion電源解決方案可說是“身懷絕技”，針對高端嵌入式系統(tǒng)的苛刻需求，在高頻集成電路設計、磁體工程、電源封裝和結構以及DC-DC系統(tǒng)工程4個關鍵領域實現(xiàn)創(chuàng)新，為系統(tǒng)帶來顯著優(yōu)勢。

　　高頻IC技術——Enpirion器件采用LDMOS技術制造，IP非常適合支持高頻工作。使用特殊的MOSFET設計方法，Altera不但提高了開關頻率而且還降低了開關噪聲。Enpirion器件的高頻設計結合獨特的封裝技術，使功率密度提高了20%至50%，高度比最相近的模塊競爭產(chǎn)品低20%。

　　前沿的磁體技術——Altera與最好的磁體供應商合作，開發(fā)前沿的磁體技術，這不但能夠使電感集成到非常緊湊的開關轉換器解決方案中，而且還能夠優(yōu)化電感，降低損耗，以最小的電流環(huán)實現(xiàn)非常低的EMI。

　　獨特的電源封裝和結構——Enpirion PowerSoC器件采用先進的電源封裝和結構，以及特殊的封裝技術和電感制造流程，比其他分立和模組電源解決方案引腳布局縮小20%到50%，大大節(jié)省PCB空間。此外，Enpirion PowerSoC作為完整的電源系統(tǒng)進行了測試，每一片PowerSoC都經(jīng)過了驗證，能夠與集成組件一起工作，是一種即插即用的電源解決方案。實現(xiàn)了45,000多年平均無故障時間(MTBF)，支持實現(xiàn)非?？煽康牡惋L險電源設計。

　　圖：Altera電源管理解決方案在四大關鍵領域實現(xiàn)創(chuàng)新

　　先進的DC/DC系統(tǒng)工程——采用多種經(jīng)過驗證、高度集成的PowerSoC解決方案，Altera避免了很多復雜的電源設計面臨的風險難題——從控制器補償?shù)酵獠吭骷x擇，功率級分析、時域仿真、驗證、產(chǎn)品測試，直至穩(wěn)定性等，Enpirion PowerSoC只需要很少的支持就能夠優(yōu)化實現(xiàn)獨特的設計。

　　還有一個關鍵點在于，Enpirion的電源模塊基于先進的系統(tǒng)封裝設計，能夠提供業(yè)界領先的熱降額性能。在這里，我們覺得有需要澄清一下目前客戶工程師經(jīng)常遇到的一個困惑。系統(tǒng)設計人員常常發(fā)現(xiàn)電源產(chǎn)品說明書首頁上的輸出電流額定值與熱降額曲線圖所示的實際輸出電流不一致，這種狀況導致產(chǎn)品比較工作相當困難。市場上某些產(chǎn)品說明書首頁上特別標注的項目也未提及測量降額曲線的測試條件。這就是為什么在進行散熱性能的比較前，設計工程師必須查看產(chǎn)品說明書的內頁。在許多情況下，電源模塊實際能輸出的電流通常低于廠商在產(chǎn)品說明書首頁中載明的數(shù)值。這種情況主要是由于測試設置和運行條件的差異造成的。

　　為了弄清楚模塊的散熱性能，設計工程師必須先了解是采用熱成像攝像頭，還是熱電偶來進行溫度測量。其次，還必須弄清楚是在印刷電路板的單點測量溫度，還是出于對更高準確性的考慮，直接在諸如 FET、控制 IC 以及磁性部件等多組件處測量溫度。再者，就是弄清楚散熱測試設置模式。 部分廠商采用未受限設置方案; 而其他一些廠商采用受限設置方案——從而生成變化更為陡峭的 SOA 曲線。最后，系統(tǒng)設計人員必須弄明白當評價散熱性能時，廠商是否允許內部組件的溫度接近或達到最大溫度限額。而使用模塊方案的好處，是我們建議客戶從熱阻的角度出發(fā)去評估產(chǎn)品的熱降額性能。這一點我們有專門的應用白皮書可以給用戶提供一個更準確和客觀的視角。

　　超越下一代嵌入式系統(tǒng)需求

　　Enpirion電源IC系列發(fā)揮了先進設計和制造技術的優(yōu)勢，實現(xiàn)了顛覆性的創(chuàng)新，可以說超越了下一代嵌入式系統(tǒng)的需求。Enpirion器件不僅可滿足Altera第10代FPGA嚴格的要求，并可對系統(tǒng)其他器件供電，如ASIC、處理器以及FPGA周圍的DDR存儲器等。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員可以馬上采用具有 Enpirion 解決方案而且經(jīng)過驗證的參考設計和套件進行設計，如Cyclone V SoC 開發(fā)套件和 SoC 嵌入式套裝，MAX 10 FPGA 開發(fā)套件，以及Arria 10 FPGA 開發(fā)套件和 FPGA 信號完整性套件，加快設計和產(chǎn)品上市。

　　除著力開拓通信、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)、新能源等應用外，Altera的Enpirion電源方案也在全力開拓一些新興應用市場。由于“出色”的表現(xiàn)，Enpirion系列產(chǎn)品在相關客戶中應用得到了積極評價，采用Altera電源產(chǎn)品的客戶在不斷增多。一個明顯的實例就是以華為、中興和烽火為代表的國內領先通信企業(yè)已經(jīng)選擇了Altera的電源IC用來優(yōu)化他們的系統(tǒng)設計和提升可靠性。

　　作為通信市場的領導者之一，華為需要開發(fā)新一代的RRU來保持它在無線市場的競爭力，但在用定制化的ASIC實現(xiàn)4.5G 系統(tǒng)的優(yōu)化特性之前，必須盡快解決諸多挑戰(zhàn)。Altera的FPGA+電源解決方案可幫助他們從根本上解決這些挑戰(zhàn)。除了對系統(tǒng)功耗的優(yōu)化之外，電源SoC也能幫助減少他們的板級所需空間，同時幫助提升在輕負載和重負載下的效率，最重要的是可滿足他們世界級的產(chǎn)品和焊接可靠性要求。

　　張偉超表示：“Altera作為FPGA市場的領導者，通過提供更為先進的電源管理芯片，更好地幫助客戶提升FPGA的性能，并通過最大程度的降低系統(tǒng)功耗和成本來簡化系統(tǒng)設計，從而進一步釋放先進的FPGA技術的潛能?！薄凹蟪伞钡腅npirion電源方案將為Altera注入新的發(fā)展活力。展望未來，Altera的創(chuàng)新永不止步：將不斷加強在電源方面的技術創(chuàng)新，包括更高的集成度、更高的產(chǎn)品效率， 更強健的焊接可靠性，數(shù)字環(huán)路動態(tài)調節(jié)并監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，最大程度地簡化FPGA系統(tǒng)開發(fā)等，甚至會將電源模塊集成進系統(tǒng)芯片內。在這條創(chuàng)新之路上，我們完全有理由期待更多創(chuàng)新與突破性能的電源模塊芯片等著Altera去展現(xiàn)。