如何為 FPGA 開(kāi)發(fā)緊湊高效的電源解決方案

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 （FPGA） 越來(lái)越多地用于支持視頻和圖像處理、醫(yī)療系統(tǒng)、汽車(chē)和航空航天應(yīng)用以及人工智能 （AI） 和機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 中的高性能計(jì)算。為 FPGA 供電是一項(xiàng)復(fù)雜而關(guān)鍵的功能，涉及大量和各種電源軌，有些電源軌需要高達(dá) 50 安培 （A） 的快速功率。

為了 FPGA 正常工作，電源軌需要導(dǎo)通和關(guān)序，需要單調(diào)上升和下降，并且需要高電壓精度和快速瞬態(tài)響應(yīng)。此外，提供各種電壓的直流-直流 （DC/DC） 穩(wěn)壓器需要很小，以便它們可以放置在 FPGA 附近，以最大限度地減少配電線(xiàn)路中的寄生效應(yīng)，并且它們必須高效以最大限度地減少 FPGA 附近的溫度升高。在某些系統(tǒng)中，DC/DC 穩(wěn)壓器必須足夠薄，以便安裝在印刷電路板（印刷電路板）的背面。

雖然可以設(shè)計(jì)具有必要集成數(shù)字電源管理的高效率和高性能 DC/DC 穩(wěn)壓器，但以非常緊湊、扁平的格式實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。它可能導(dǎo)致大量的設(shè)計(jì)迭代，分散FPGA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，延遲上市時(shí)間并降低系統(tǒng)性能。

FPGA 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向經(jīng)過(guò)全面測(cè)試和驗(yàn)證的集成 DC/DC 穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器將所有組件都包含在緊湊且熱效率高的焊盤(pán)柵格陣列 （LGA） 和球柵陣列 （BGA） 封裝中，適合直接與 FPGA 相鄰的集成，以最大限度地提高電源系統(tǒng)（和 FPGA）性能。

本文回顧了FPGA的供電需求，重點(diǎn)關(guān)注電壓精度、瞬態(tài)響應(yīng)和電壓排序，并通過(guò)工作示例詳細(xì)介紹了與熱管理相關(guān)的挑戰(zhàn)。然后，本文介紹了適合ADI公司FPGA供電的集成DC/DC穩(wěn)壓器，包括可安裝在印刷電路板背面的薄型穩(wěn)壓器，以及用于加速設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)估板和集成建議。

FPGA 電源要求

FPGA 中的內(nèi)核邏輯、輸入/輸出 （I/O） 電路、輔助電路和收發(fā)器等功能需要不同的電源軌。這些通常使用分布式電源架構(gòu)供電，每個(gè)電源軌具有一個(gè)或多個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器，也稱(chēng)為負(fù)載點(diǎn) （POL） 穩(wěn)壓器。雖然這些穩(wěn)壓器大多使用開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)最高效率，但噪聲敏感電路（如收發(fā)器）可能需要使用低壓差線(xiàn)性（LDO）穩(wěn)壓器。

在小型系統(tǒng)中，大容量配電電壓通常為 5 或 12 伏直流 （V 直流 ），可以直接為 POL 供電。在較大的系統(tǒng)中，配電電壓可以是 24 或 48 V 直流 .當(dāng)使用更高的配電電壓時(shí)，使用降壓穩(wěn)壓器將配電電壓降至5或12 V直流在為 POL 供電的中壓總線(xiàn)上。POL 提供各個(gè) FPGA 電源軌所需的低電壓（圖 1）。每個(gè)電源軌都有與精度、瞬態(tài)響應(yīng)、時(shí)序和其他參數(shù)相關(guān)的特定要求。

圖 1：為 FPGA 供電需要多個(gè) POL 穩(wěn)壓器。（圖片來(lái)源：ADI公司）

核心POL通常是FPGA中最關(guān)鍵的電源。核心電源可低于 1 V直流具有數(shù)十安培的電流，并且通常具有±3%或更高的精度要求，以防止邏輯錯(cuò)誤。例如，對(duì)于內(nèi)核電壓容差規(guī)格為±3%的FPGA，精度為±1.5%的穩(wěn)壓器可提供另外±1.5%的瞬變。如果POL具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，則將提供穩(wěn)定的性能。然而，精度為±2%的穩(wěn)壓器可能難以實(shí)現(xiàn)所需的性能。只有±1%可用于瞬態(tài)響應(yīng)，需要增加旁路電容，并可能導(dǎo)致瞬態(tài)期間的邏輯誤差。

排序的起伏

除了工作時(shí)苛刻的功率要求外，F(xiàn)PGA 還需要各種電源軌以特定順序以精確的時(shí)序打開(kāi)和關(guān)閉?，F(xiàn)代 FPGA 通常將許多電源軌組織成幾組，可以一起打開(kāi)和關(guān)閉。例如，英特爾的Altera Arria 10FPGA將電源域組織為三組。這些組必須按從組 1（有 6 個(gè)電壓軌）到組 2（也是 6 個(gè)電壓軌）再到組 3（3 個(gè)電源軌）的順序上電，然后按相反的順序斷電，以防止損壞 FPGA（圖 2）。

圖 2：FPGA 要求按特定順序上電和斷電軌。（圖片來(lái)源：ADI公司）

保持涼爽

由于如此多的穩(wěn)壓器放置在FPGA附近，因此熱管理是一個(gè)問(wèn)題。ADI公司將印刷電路板放在一起，以演示使用多個(gè)穩(wěn)壓器時(shí)的一些熱管理選項(xiàng)（圖3）。熱性能受調(diào)壓閥的相對(duì)位置、氣流的方向和量以及環(huán)境溫度的影響。

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圖 3：并聯(lián)穩(wěn)壓器的熱管理演示板。(圖片來(lái)源：ADI公司)

對(duì)于第一個(gè)比較，在演示板上的七個(gè)位置測(cè)量溫度;位置 1 到 4 顯示模塊的表面溫度，位置 5 到 7 顯示印刷電路板上的表面溫度(圖 4)。在這兩種熱像儀中，與僅在兩側(cè)散熱的中央模塊相比，外部模塊都更冷，這得益于使用三面印刷電路板區(qū)域提供的散熱器增加。氣流也很重要。在左側(cè)熱像儀中，有 200 線(xiàn)性英尺/分鐘 (LFM) 的氣流來(lái)自印刷電路板底部，而右側(cè)圖像中沒(méi)有氣流。帶氣流的模塊和印刷電路板的溫度約為 20°C。

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圖 4：增加 200 LFM 的氣流可顯著降低模塊和印刷電路板溫度(左)。(圖片來(lái)源：ADI公司)

氣流方向和環(huán)境溫度也很重要。從右到左使用 400 LFM 氣流將熱量從一個(gè)模塊推到另一個(gè)模塊，結(jié)果最冷的模塊在右邊，中間的模塊最熱，左邊的模塊在兩者之間(圖 5，左)。為了嘗試補(bǔ)償較高的環(huán)境溫度，在工作溫度為75°C的模塊上放置了散熱器。 在這種極端條件下，即使有額外的散熱器，模塊的溫度也會(huì)明顯更高(圖 5，右)。

圖 5：50°C(左)和 75°C(右)環(huán)境溫度的影響，400 LFM 氣流從右到左穿過(guò)印刷電路板。(圖片來(lái)源：ADI公司)

用于背面安裝的 LGA 和 BGA 封裝

LTM4601 系列的 12 A 連續(xù)(峰值 14 A)降壓型 DC/DC 穩(wěn)壓器為設(shè)計(jì)人員提供了 15 × 15 × 2.82 mm (mm) LGA 或 15 × 15 × 3.42 mm BGA 封裝的選項(xiàng)。它們的輸入電壓范圍為 4.5 至 20 V直流 可提供 0.6 至 5 V 的輸出直流 具有輸出電壓跟蹤和裕量調(diào)節(jié)功能。它們具有 ±1.5% 的調(diào)節(jié)率和 35 mV 的峰值偏差，動(dòng)態(tài)負(fù)載變化范圍為 0% 至 50% 和滿(mǎn)負(fù)載的 50% 至 0%，建立時(shí)間為 25 微秒 (μs)。

這些穩(wěn)壓器可帶或不帶板載差分遠(yuǎn)端檢測(cè)放大器，可用于精確調(diào)節(jié)輸出電壓，而與負(fù)載電流無(wú)關(guān)。例如， LTM4601IV#PBF 在 LGA 中，并且 LTM4601IY#PBF 采用 BGA 格式，均具有板載差分遠(yuǎn)端檢測(cè)放大器。不需要板載放大器的應(yīng)用可以使用 LTM4601IV-1#PBF 在 LGA 或 LTM4601IY-1#PBF 在 BGA 中。這些模塊是完整的 DC/DC 穩(wěn)壓器，只需輸入和輸出電容器即可滿(mǎn)足特定的設(shè)計(jì)要求(圖 6)。這些模塊的外形小巧，可以安裝在印刷電路板的背面。

圖 6：μModule 穩(wěn)壓器是采用耐熱增強(qiáng)型封裝的完整電源轉(zhuǎn)換器。（圖片來(lái)源：ADI公司）

ADI公司提供DC1041A-A演示電路，用于加速LTM4601穩(wěn)壓器的評(píng)估。其輸入電壓范圍為 4.5 至 20 V 直流 ，以及一個(gè)可選擇跳線(xiàn)和可編程的輸出電壓，以巧合地或按比例跟蹤另一個(gè)模塊的輸出。

超薄穩(wěn)壓器

ADI公司的16×11.9 mm LGA封裝的1.82 mm高度 LTM4686 使這些雙通道 10 A 或單通道 20 A 穩(wěn)壓器能夠放置在足夠靠近 FPGA 的位置，以便器件可以共享一個(gè)公共散熱器，從而簡(jiǎn)化熱管理。此外，這些穩(wěn)壓器安裝在印刷電路板的背面。使用 PMBus 協(xié)議的集成數(shù)字電源管理支持遠(yuǎn)程配置和實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出電流、電壓、溫度和其他參數(shù)。這些穩(wěn)壓器支持兩個(gè)輸入電壓范圍;這 LTM4686IV#PBF 工作電壓范圍為 4.5 至 17 V直流，以及 LTM4686IV-1#PBF 從 2.375 到 17 V直流.LTM4686模塊支持0.5至3.6 V輸出直流 最大輸出誤差±0.5%。這些穩(wěn)壓器可在 1 V 電壓下提供 18 A 電流直流 從 5 V直流 在 +85°C 環(huán)境溫度下輸入，氣流為 400 LFM。

設(shè)計(jì)師可以使用 DC2722A 演示電路與LTpowerPlay軟件相結(jié)合，以探索LTM4686模塊的功能。為了僅評(píng)估穩(wěn)壓器，可以使用默認(rèn)設(shè)置打開(kāi)DC2722A，而無(wú)需PMBus通信。通過(guò)添加軟件和PMBus加密狗，設(shè)計(jì)人員可以探索完整的數(shù)字電源管理功能，包括動(dòng)態(tài)重新配置器件和查看遙測(cè)信息。

電路板布局注意事項(xiàng)

雖然并聯(lián)μModule穩(wěn)壓器為FPGA供電時(shí)幾乎沒(méi)有電氣考慮因素，但與間距、過(guò)孔、接地層和氣流相關(guān)的參數(shù)非常重要。幸運(yùn)的是，LGA 封裝的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了電源和接地層的布局，并為印刷電路板提供了牢固的熱連接。放置四個(gè)并聯(lián)μModule穩(wěn)壓器只需重復(fù)LGA封裝即可（圖7）。除了異常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境外，熱增強(qiáng)型封裝以及電源層通常為模塊提供足夠的冷卻。

圖 7：μModule 穩(wěn)壓器的 LGA 占位面積簡(jiǎn)化了多個(gè)模塊的并聯(lián)，并支持增強(qiáng)的熱性能。（圖片來(lái)源：ADI公司）

結(jié)論

為了支持高性能計(jì)算應(yīng)用，F(xiàn)PGA 需要精確高效的電源管理以及快速響應(yīng)時(shí)間。為FPGA中的眾多電壓軌供電是一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，可以使用ADI公司的集成μModule DC/DC穩(wěn)壓器來(lái)應(yīng)對(duì)。這些穩(wěn)壓器還提供緊湊且易于集成的封裝所需的電氣和熱性能。

審核編輯 黃昊宇