基于FPGA系統(tǒng)應用的供電要求和最新高性能DC/DC穩(wěn)壓器解決方案詳解

隨著FPGA制造工藝尺寸持續(xù)縮小、設計配置更加靈活，以及采用FPGA的系統(tǒng)的不斷發(fā)展，原來只采用微處理器和ASIC的應用現(xiàn)在也可以用FPGA來實 現(xiàn)了。最近FPGA供應商推出的新型可編程器件進一步縮小了FPGA和ASIC之間的性能差別。盡管這類器件的可配置性對設計工程師很有吸引力，但使用這 些器件所涉及的復雜設計規(guī)則和接口協(xié)議，要求設計工程師經(jīng)過全面的培訓，并需要進行參考設計評估、設計仿真和驗證工作。另一方面，F(xiàn)PGA應用中非常復雜 的模擬設計，例如用于內(nèi)核、I/O、存儲器、時鐘和其它電壓軌的DC/DC穩(wěn)壓器，也要求新的解決方案。本文討論的高性能DC/DC轉(zhuǎn)換器有助于系統(tǒng)設計 工程師克服這些挑戰(zhàn)。

FPGA系統(tǒng)的供電要求

1. 管理多個電壓軌

上一代FPGA需要2或3個電源軌，如今有些高端的多核FPGA需要多達7個電源軌，包括傳統(tǒng)的3.3V電源軌和最新出現(xiàn)的1.0V～2.8V低電壓軌，甚 至更低的電壓軌。此外，除了FPGA，存儲器、網(wǎng)絡處理器、圖形處理器、模數(shù)或數(shù)摸轉(zhuǎn)換器、運算放大器和射頻集成電路等器件也需要其它一些電壓軌。

具 有排序和跟蹤功能的DC/DC穩(wěn)壓器可確保有多個電壓軌的系統(tǒng)有序啟動，避免電壓軌之間出現(xiàn)沖突。每個穩(wěn)壓器都必須能跟蹤其它壓器的輸出電壓。盡管 FPGA不需要電壓軌排序，但是系統(tǒng)中不同部分的電壓仍需要按順序斜坡上升或下降，以免在電壓軌上升或下降太快的時候發(fā)生閉鎖。

電源軌的跟蹤和排序以前是由單獨的電源管理IC完成，如今設計工程師要求將排序和跟蹤功能嵌入到穩(wěn)壓器中，特別是當這些電源軌必須位于系統(tǒng)的不同地方時。

2. 調(diào)節(jié)低 Vt和I/O電壓

快速I/O節(jié)點通常要消耗FPGA應用中的大部分功率，但1.8V和2.5V I/O提供幾十安培負載電流、高端系統(tǒng)要求40~80A I/O設計的情況非不常見。

根據(jù)電路板設計原則，DC/DC穩(wěn)壓器必須離負載一段距離，而且從輸出端到穩(wěn)壓點有一段較長的PCB走線。當 負載電流較大時，PCB走線會引入電壓誤差，誤差值等于負載電流（I）乘以這段走線的阻抗（R）。由于負載電壓降低、電流增大，這個I×R的電壓誤差值將 更大。例如，對3.3V電壓軌而言，200mV壓降將產(chǎn)生6%的誤差，而對1.2V電壓軌則會產(chǎn)生17%的誤差。因此，盡管DC/DC穩(wěn)壓器可以設置成輸 出1.2V電壓，但由于I×R壓降的存在，負載端只有1.0V電壓。

當采用90nm和65nm工藝時，F(xiàn)PGA的Vt和性能取決于電源軌的精確度，因此17%的誤差很容易降低性能。例如，Vt的100mV變化，將使漏電流增大10倍或者更多。

標 準DC/DC穩(wěn)壓器只有在負載電壓與輸出電壓非常接近時才能進行準確的電壓調(diào)節(jié)，但它們不能對I×R壓降進行補償。誤差校正必須用遠端感應放大器來實現(xiàn)。 對負載進行差分遠端檢測可以實現(xiàn)最精確的調(diào)節(jié)，這時需要精確運算放大器和精確電阻。一個理想的穩(wěn)壓器應該在-40oC至85oC的溫度范圍內(nèi)，提供至 少±1.5%的負載電壓調(diào)節(jié)精度。這樣的精度也許對3.3V電壓軌來說無關緊要，因為數(shù)字IC可容忍±0.5V的偏差，但要求1.8V、1.0V或 0.9V電壓軌的90nm或65nm器件要求更高的精度。

用戶一旦設置了穩(wěn)壓器的輸出電壓，差分遠端檢測就通過在較寬的負載電流范圍內(nèi)補償PCB走線產(chǎn)生的I×R壓降，來自動調(diào)節(jié)負載點電壓。這樣，當系統(tǒng)處于待機模式或負載電流和I×R壓降都為峰值的全速狀態(tài)時，電壓調(diào)節(jié)將非常精確。

圖1：包括基于FPGA設計所需的所有功能的四輸出103W DC/DC系統(tǒng)簡化方框圖

3. 降低電壓紋波噪聲和電容要求

在非便攜式應用中，隨著對壓降和電流要求的提高，當選擇DC/DC穩(wěn)壓器時，熱耗散和工作效率變得更加重要。在便攜式應用中，盡管每個電壓軌的負載電流較小，但工作效率和待機效率在節(jié)省電池能量和簡化便攜式產(chǎn)品的熱量管理方面仍非常重要。

與線性穩(wěn)壓器相比，開關模式DC/DC穩(wěn)壓器在便攜式和非便攜式應用中都是一個性能更高的解決方案，尤其在功率要求較高的時候。例如，在3.3V輸入電源 在，開關模式穩(wěn)壓器能以90%的效率提供1.2V電壓和5A電流，而線性穩(wěn)壓器的效率只有36%。此外，開關模式穩(wěn)壓器要消耗0.7W功率，而線性穩(wěn)壓器 則消耗10.5W。

不過，開關模式穩(wěn)壓器因其固有的開關工作模式會引入開關噪聲和較高的輸出紋波噪聲（輸出電壓峰峰值紋波）。不幸的是， 需要更低電壓軌的新型FPGA、眼圖要求更嚴格的快速I/O信號對電源“噪聲”的容許度更低。為減少紋波噪聲，可以給電路增加更多輸入和輸出電容，以抑制 峰峰值紋波電壓。但抑制開關噪聲的挑戰(zhàn)性更大。一種可能的方法是使DC/DC穩(wěn)壓器的工作頻率與外部時鐘同步，這樣可以強制穩(wěn)壓器工作在對系統(tǒng)其它噪聲敏 感器件的干擾最小的頻率范圍內(nèi)。在幾個開關模式穩(wěn)壓器同步到一個時鐘頻率，且這個時鐘頻率不干擾系統(tǒng)其它部分的情況，這種方法尤其有效。

上述方法有助于設計噪聲較低的開關模式負載點穩(wěn)壓器解決方案，不過如果在設計之初就確定了合適的結(jié)構(gòu)、功能和布局，則能大大減少噪聲問題。這種穩(wěn)壓器能最大限度降低對電容、濾波和電磁干擾（EMI）屏蔽的依賴。

4. 精調(diào)電壓和改善空氣流動

當 FPGA或FPGA的外圍IC被組裝到一個完整的系統(tǒng)中之后，它們的性能可能與在實驗室工作臺上單獨測試得到的性能有所不同。焊料類型、溫度、PCB布 線、走線阻抗、裝配流程等都會影響器件的性能。例如，如果FPGA內(nèi)核的電壓被調(diào)節(jié)在一個非預期的電壓上，內(nèi)核運行速度就會下降，導致系統(tǒng)的計算能力下 降。

因此，工程師在質(zhì)檢或裝配期間評估器件性能時，要求器件能以很小的步長提高或降低輸出電壓，這個功能被稱為余量功能（margining）。在前面例子中，內(nèi)核電壓可以調(diào)高，以便使FPGA的工作頻率達到期望值。余量功能還可以幫助系統(tǒng)制造商提高生產(chǎn)高總產(chǎn)量。

人們希望基于FPGA的系統(tǒng)在增加功能、存儲容量或計算能力的同時縮小尺寸，這促使設計工程師改善器件散熱的方法，其中一個簡單方法是在器件上方實現(xiàn)有效的 空氣流動。封裝高的器件阻礙了FPGA或存儲器這類封裝薄的器件上方的空氣流動。預裝配的DC/DC負載點穩(wěn)壓器引起的空氣阻塞問題非常嚴重，因為這些器 件的高度是FPGA和其它IC高度的6至10倍。

FPGA較薄的BGA封裝非常有用，因為可以從封裝頂部高效率地散出內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。當一個較高的器件（如預裝配的DC/DC穩(wěn)壓器）阻礙空氣流動，并緊靠FPGA器件時，F(xiàn)PGA的這種優(yōu)點就無法發(fā)揮出來。

新一代DC/DC系統(tǒng)：μModule穩(wěn)壓器

凌力爾特公司完整的開關模式DC/DC系統(tǒng)包括片上MOSFET、電感、電容、DC/DC控制器和補償電路，類似一個表面貼IC，走線簡單，只需幾個大容量 電容和一個電阻來設置輸出電壓。這個DC/DC系統(tǒng)可以預組裝，并已考慮到了合理的布線和封裝，以實現(xiàn)最佳的電氣和熱性能。DC/DC開關模式架構(gòu)采用電 流模式，其快速的瞬態(tài)響應特性有助于最大限度地減小所需的輸出電容。這個DC/DC系統(tǒng)與外部時鐘同步，因此多個系統(tǒng)可以并聯(lián)起來以提供大電流，同時最大 程度地減小開關噪聲干擾和輸出紋波噪聲。這些新型DC/DC穩(wěn)壓器采用微小、輕型的表面貼封裝，以使電路板組裝更緊湊、更簡單。封裝的高度很低，以便于空 氣在該系統(tǒng)和有關IC的上方流動。

凌力爾特公司將這個新一代的DC/DC系統(tǒng)稱作μModule穩(wěn)壓器。μModule穩(wěn)壓器包含一系列 器件，輸出電流范圍為6A至12A、輸入電壓為4.5V至28V、輸出電壓為0.6V至5V。有些功能豐富的μModule穩(wěn)壓器還具有跟蹤等功能，這樣 具有多個電源軌的FPGA系統(tǒng)可實現(xiàn)正確的上電和斷電。它的電感也進行了屏蔽，能最大限度地減小EMI。由于μModule穩(wěn)壓器具有余量功能，所以系統(tǒng) 設計工程師可以準確地調(diào)節(jié)電壓，除了在組裝和測試期間提高產(chǎn)量外，還可以提高FPGA和系統(tǒng)其它部分的性能。

圖1采用LTM4601、4 層PCB設計的四輸出103W μModule DC/DC系統(tǒng)。這個解決方案利用8V至16V中間總線輸入產(chǎn)生4種輸出：1.5V/12A、1.8V/12A、2.5V/12A和3.3V/10A。圖 2是簡化的方框圖。4個LTM4601單元的相位鎖定到四輸出、四相振蕩器LTC6902上，LTC6902產(chǎn)生90o交錯的時鐘信號以減小噪聲和紋波。 圖3給出了這個簡單、緊湊的解決方案的效率。特別值得一提的是，該解決方案無需散熱器。

圖2：圖1電路中的每個輸出的效率

本文小結(jié)

凌力爾特公司在DC/DC穩(wěn)壓器架構(gòu)和封裝方面的創(chuàng)新使新一代負載點解決方案能夠滿足FPGA系統(tǒng)更嚴格的要求。μModule DC/DC穩(wěn)壓器系列包括6種產(chǎn)品，具有多種功率級別和功能。μModule DC/DC解決方案非?？煽浚@為多芯片封裝器件樹立了新的性能標準，為新一代FPGA和基于FPGA的系統(tǒng)更精細地提高性能鋪平了道路。