面向FPGA應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)

近幾年，FPGA 產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)張，有越來越多的工程師從事著與 FPGA 相關(guān)的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。作為任何一款產(chǎn)品都不可或缺的電源，也面臨來自FPGA應(yīng)用的要求和挑戰(zhàn)。一方面是需求的增多，另一方面的技術(shù)指標(biāo)要求的不斷提升，如何幫助工程師輕松完成FPGA產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)，讓他們得以將更多的精力投入到核心部分的設(shè)計(jì)中，從而縮短設(shè)計(jì)周期，成了每個(gè)電源廠商要面對(duì)的問題。為此，筆者采訪了來自優(yōu)質(zhì)電源產(chǎn)品供應(yīng)商凌力爾特公司的DC/DC µModule 產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Afshin Odabaee，來聽一聽他對(duì)面向FPGA應(yīng)用的電源產(chǎn)品的理解和他提出的一些理想的解決方案。

FPGA的發(fā)展

今天，F(xiàn)PGA呈現(xiàn)出高速發(fā)展的趨勢(shì)。其中 FPGA 的硅工藝方面，在縮小設(shè)計(jì)幾何尺寸方面業(yè)已取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步。這種工藝變革始于 80nm 至 40nm 的幾何尺寸縮減，而如今，28nm 器件很快即將推出。同時(shí)，在高端 FPGA 的應(yīng)用方面，其強(qiáng)勁需求來自于高密度單板計(jì)算板、數(shù)據(jù)通信、工業(yè)以及某些非消費(fèi)型便攜式設(shè)備 (例如：醫(yī)療成像和機(jī)器診斷)。較便宜的低端 FPGA 則常用于諸如相機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品。由于 FPGA 的功能不斷增加并擁有“從設(shè)計(jì)至面市”時(shí)間較快的優(yōu)勢(shì)，因此許多功能強(qiáng)大的 FPGA 器件正在逐步取代應(yīng)用 ASIC 的方法。

對(duì)電源產(chǎn)品的特殊要求

FPGA 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電源是不可或缺的一部分。而應(yīng)用于 FPGA 領(lǐng)域的電源包括靜態(tài)電源、動(dòng)態(tài)電源和收發(fā)器電源等多種，對(duì)不同的電源，要求也不同。

其中，靜態(tài)電源：較小幾何尺寸的 FPGA 具有較高的靜態(tài)漏電流。運(yùn)用 28nm 工藝的高密度 FPGA 可能很受追捧，但其消耗電流仍然達(dá)到幾個(gè)安培；

動(dòng)態(tài)電源：這時(shí) FPGA 處于運(yùn)行狀態(tài)并吸收幾十安培的電流。除了電流消耗較高之外，這些新型器件的內(nèi)核電壓已下降至 1V 或更低。在非常高的電流條件下調(diào)節(jié)如此低的電壓是一項(xiàng)適合采用非常準(zhǔn)確和可靠的 DC/DC 穩(wěn)壓器來完成的工作；

收發(fā)器電源：新型 FPGA 用收發(fā)器的 SERDES (串行器/解串器) 接口具有 6Gbps 至 12Gbps 的速度范圍。在進(jìn)行此類高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，功耗也將增加，因而需要具較高運(yùn)作效率和較低發(fā)熱量的 DC/DC 穩(wěn)壓器。

凌力爾特幫助你輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

面對(duì)這些特殊要求，凌力爾特公司在其工程和市場(chǎng)部?jī)?nèi)設(shè)了一個(gè)特別小組，負(fù)責(zé)與兩家規(guī)模最大的 FPGA 供應(yīng)商以及較小的 FPGA 廠商的接洽及合作事宜。凌力爾特提前數(shù)年便對(duì) FPGA 電源架構(gòu)的詳細(xì)情況進(jìn)行了解，并設(shè)計(jì)適合未來 FPGA 需要的 DC/DC 穩(wěn)壓器或 DC/DC 微型模塊 (μModule) 穩(wěn)壓器。這些穩(wěn)壓器具備相應(yīng)的功能和性能，以迎合多種 FPGA 以及那些使用 FPGA 的系統(tǒng)。

適合 FPGA 的產(chǎn)品實(shí)例為多輸出 DC/DC μModule 穩(wěn)壓器，比如 LTM4615 和 LTM4616，在 FPGA 有可能需要多達(dá) 6 種不同電壓的 FPGA 電源設(shè)計(jì)中，這兩款器件可以取代將近 30 個(gè)分立元件。凌力爾特還設(shè)計(jì)了具非常低傳導(dǎo)噪聲的產(chǎn)品，以最大限度地降低對(duì)高速 SERDES 數(shù)據(jù)的干擾 (即：盡量地抑制抖動(dòng))。而且，除了電源產(chǎn)品之外，凌力爾特還開發(fā)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字接口電源控制和監(jiān)視器件，旨在簡(jiǎn)化電源調(diào)節(jié)和收發(fā)器設(shè)計(jì)。

FPGA應(yīng)用之外

在談到除 FPGA 應(yīng)用之外的其他熱點(diǎn)領(lǐng)域以及未來電源產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵點(diǎn)，Afshin表示，凌力爾特感興趣和擅長(zhǎng)的領(lǐng)域是高端產(chǎn)品。高端產(chǎn)品制造商有一個(gè)愿望，也是他們所面臨的巨大挑戰(zhàn)，即：設(shè)計(jì)高密度 PCB 和系統(tǒng)、同時(shí)提升其系統(tǒng)的計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸能力。因此，在這些制造商相互競(jìng)爭(zhēng)的過程中，有三個(gè)主要方面將是他們必需重點(diǎn)關(guān)注的：

1 耗電量：其系統(tǒng)在滿負(fù)荷使用時(shí)的耗電量是多少？換句話說：他們的客戶將向電力公司支付多少錢？設(shè)計(jì)精良和高性能的電源設(shè)計(jì)方案可降低耗電量。

2 散熱成本：系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過將熱量從其系統(tǒng)中去除以冷卻系統(tǒng)，這需要花費(fèi)多少錢? 花費(fèi)將用于：使用具較多銅箔的較厚 PCB、較大或轉(zhuǎn)速較快的風(fēng)扇、較多的金屬 (以傳遞熱量)、系統(tǒng)內(nèi)部各電路板之間的較長(zhǎng)走線距離 (用于提供冷卻氣流等)。

3 可靠性：高溫 (這個(gè)術(shù)語表達(dá)的是一種相對(duì)的概念，它取決于具體的應(yīng)用及場(chǎng)合) 將會(huì)影響半導(dǎo)體 IC 或系統(tǒng)的可靠性。以較低的溫度來運(yùn)作一個(gè)系統(tǒng)可延長(zhǎng)其可靠工作壽命，因此，對(duì)于高端數(shù)字系統(tǒng)來說，電源管理和 DC/DC 穩(wěn)壓器的選擇正變得越來越重要