適用于 FPGA、GPU 和 ASIC 系統(tǒng)的電源管理

凌力爾特公司 （現(xiàn)隸屬 ADI 公司）微型模塊電源產(chǎn)品部 業(yè)務(wù)經(jīng)理 Afshin Odabaee

在 FPGA、GPU 或 ASIC 控制的系統(tǒng)板上，僅有為數(shù)不多的幾種電源管理相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但是由于需要反復(fù)調(diào)試，所以這類挑戰(zhàn)可能使系統(tǒng)的推出時(shí)間嚴(yán)重滯后。不過，如果特定設(shè)計(jì)或類似設(shè)計(jì)已經(jīng)得到電源產(chǎn)品供應(yīng)商以及 FPGA、GPU 和 ASIC 制造商的驗(yàn)證，就可以防止很多電源和 DC/DC 調(diào)節(jié)問題。分析和解決問題的負(fù)擔(dān)常常落在系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的肩上。配置設(shè)計(jì)方案復(fù)雜的數(shù)字部分已經(jīng)占據(jù)了這些設(shè)計(jì)師的大部分精力。因此處理設(shè)計(jì)方案的模擬和電源部分就成了主要挑戰(zhàn)，因?yàn)殡娫床⒎侨绾芏嘣O(shè)計(jì)師所預(yù)期的那樣是個(gè)簡單的任務(wù)。

周全的電源管理從一開始就很有挑戰(zhàn)性

所有設(shè)計(jì)任務(wù)一開始都很有挑戰(zhàn)性，例如為一個(gè)包含收發(fā)器、內(nèi)存模塊、傳感器、線路連接器以及網(wǎng)狀 PCB 走線和多層 PCB 平面的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源管理方案。不過，雜亂無章地使用 DC/DC 穩(wěn)壓器、電容器、電感器、散熱器和其他散熱措施以及組件布局來應(yīng)對電源管理設(shè)計(jì)可能會導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計(jì)問題。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)師匆忙決定選擇較差的解決方案，那么后來可能出現(xiàn)調(diào)試工作進(jìn)行不下去的情況。

從哪里開始電源管理設(shè)計(jì)

以一種系統(tǒng)化和考慮周全的設(shè)計(jì)方式，可以很有把握地開始任何電源管理電路的設(shè)計(jì)。換句話說，在 PCB 組裝之前，如果分析是準(zhǔn)確的，解決了電源管理相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，那么就可以簡化電源管理電路的設(shè)計(jì)。另外，電源管理指南給出的電路經(jīng)過測試和驗(yàn)證，滿足 FPGA、ASIC、GPU 和微處理器以及采用這些及其他數(shù)字組件的系統(tǒng)之要求。利用經(jīng)過驗(yàn)證的電源管理解決方案設(shè)計(jì)電源管理電路，將確保項(xiàng)目從一開始就很有把握。這是讓設(shè)計(jì)方案從原型階段快速進(jìn)入生產(chǎn)階段的關(guān)鍵，因?yàn)檫@樣可以節(jié)省電源調(diào)試時(shí)間。

一個(gè)很好的例子：給 Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供電

系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用 FPGA 開發(fā)工具評估 FPGA，而無須設(shè)計(jì)一個(gè)完整的系統(tǒng)。圖 1 和圖 2 顯示了 Altera 公司新的 20nm Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC （片上系統(tǒng)） 開發(fā)電路板。這些電路板經(jīng)過 Altera 公司的測試和驗(yàn)證，列舉了有關(guān)布局、信號完整性和電源管理的最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐。

圖 1：Arria 10 GX FPGA 開發(fā)套件電路板

圖 2：Arria 10 SoC 開發(fā)套件電路板

面向內(nèi)核、系統(tǒng)和 I/O 的電源管理。面向 Arria 10 等高端 FPGA 的電源管理解決方案應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇。

一個(gè)經(jīng)過精心計(jì)劃的電源管理設(shè)計(jì)可以減小 PCB 尺寸、減輕重量并降低復(fù)雜性，同時(shí)降低功耗和冷卻成本。這對優(yōu)化系統(tǒng)性能而言是必不可少的。

例如，為圖 1 中 Arria 10 GX FPGA 的內(nèi)核供電的 12V DC/DC 穩(wěn)壓器提供 0.95V/105A，該 DC/DC 穩(wěn)壓器有幾個(gè)特點(diǎn)，對 SoC 的省電方法起到了補(bǔ)充作用：

· Arria 10 的 SmartVID 運(yùn)用 DC/DC 穩(wěn)壓器中集成的 6 位并聯(lián) VID 接口來控制 DC/DC 穩(wěn)壓器，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下降低了 FPGA 功耗。

· DC/DC 穩(wěn)壓器運(yùn)用 DCR 值非常低的電流檢測方法，通過最大限度降低電感器中的功耗，提高了效率。溫度補(bǔ)償在電感器溫度較高時(shí)保持準(zhǔn)確度或 DCR 值不變。

表 1 概述了圖 1 所示 Arria 10 開發(fā)套件電路板的電源軌和功能。該表列出了凌力爾特公司的器件，并描述了每種器件的功能。訪問 www.linear.com.cn/altera，點(diǎn)擊 Arria，了解本文所示兩種電路板的詳細(xì)技術(shù)信息。

表 1：圖 1 所示 Arria 10 GX FPGA 開發(fā)套件電路板的電源管理電路材料清單

用 LTpowerPlanner 設(shè)計(jì)工具定制電源樹

如果開發(fā)套件中列舉的設(shè)計(jì)不能滿足自己的電源要求怎么辦？在這種情況下，可以用基于 PC 的 LTpowerPlanner? 工具來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源樹的個(gè)性化和優(yōu)化。

從開發(fā)套件中給出的建議著手；然后容易地重新組織電源構(gòu)件、改變電源額定值、計(jì)算效率和功耗、仿真每個(gè)電源構(gòu)件、選擇 DC/DC 穩(wěn)壓器器件型號并驗(yàn)證定制解決方案。

LTpowerPlanner 用來產(chǎn)生滿足 Arria 10 開發(fā)套件中 FPGA 要求及系統(tǒng)要求的電源樹 （圖 3），是用途更廣泛的 LTpowerCAD? 設(shè)計(jì)工具之一，可登錄以下網(wǎng)址免費(fèi)下載：www.linear.com.cn/ltpowercad。

圖 3：用于 Arria 10 GX FPGA 電路板 （圖 1） 的電源樹。用 LTpowerPlanner 設(shè)計(jì)，該軟件是一款分析性和簡便易用的初步設(shè)計(jì)工具以用來映射電源要求。

LTC2974 （用在電路板上） 增加 PMBus 功能：電源排序、監(jiān)視、裕度調(diào)節(jié)和故障記錄

Loss：功耗

Sequence On：排序接通

Sequence Off：排序斷開

Green：綠色

Blue：藍(lán)色

White：白色

Pink：粉色

DC to DC Regulator：DC 至 DC 穩(wěn)壓器

Summary Report：總結(jié)報(bào)告

Total Input Power：總輸入功率

Total Output Power：總輸出功率

Total Power Loss：總功耗

Total Efficiency：總效率

Total Solution Size：解決方案總體尺寸

LTpowerCAD 可幫助用戶：

· 選擇具體的凌力爾特 DC/DC 穩(wěn)壓器，以與給定電源性能規(guī)格匹配

· 選擇合適的電源組件 （例如： 電感器、電阻器和電容器）

· 優(yōu)化效率和功耗

· 優(yōu)化穩(wěn)壓器環(huán)路穩(wěn)定性、輸出阻抗和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

· 將設(shè)計(jì)方案輸出到 LTspice?

結(jié)論

我們可以有把握地開始電源管理電路布局。使用 LTPowerCAD 和 LTPowerPlanner 這類工具，可以大大簡化對負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器以及各部分分析結(jié)果的映射任務(wù)。為了舉例說明這些優(yōu)勢，本文采用了用于 Altera Arria 10 FPGA 和 SoC以及其他 Altera FPGA （包括電源樹和材料清單） 的開發(fā)套件設(shè)計(jì)指南。訪問以下網(wǎng)址可獲得有關(guān)信息：www.linear.com.cn/altera。如需了解賽靈思 FPGA 開發(fā)套件，請?jiān)L問：www.linear.com.cn/xilinx。這些開發(fā)套件均經(jīng)過Altera 、賽靈思或第三方開發(fā)商的測試和驗(yàn)證。