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                                    如何為 FPGA 設計一款理想的電源?

                                    發布時間:2021-05-06 責任編輯:lina

                                    【導讀】隨著時間的推移和技術的進步,這種復雜性決定了,在FPGA每次更新換代時電源都要提高精度、靈活性、可控性、效率和故障感知能力,還要減小體積。因此尋找為FPGA供電的最佳解決方案并不簡單,一種為特定FPGA尋找優秀供電解決方案的流行方法,是使用許多FPGA供應商均提供的已有電源管理參考設計。
                                      
                                    1965年,戈登·摩爾在《電子學雜志》發表了著名的“摩爾定律”。他在文中稱,通過觀察他發現,單個芯片上的晶體管數量每年都在翻倍;他同時預測,這種趨勢應會繼續下去。然而隨著晶體管的尺寸縮小到納米級,一些嚴重的副作用日益凸顯,其中最明顯的是電壓裕量:隨著電壓的減小,晶體管驅動電流(IDSAT)卻不斷增大,由此造成了漏電流以及電路的功率泄露。由于尺寸減小后的每一代晶體管都需要更低的電源電壓,由此導致晶體管強度和泄漏增加,再加上芯片上器件數量不斷增多,結果形成了進行電壓管理的需求——為了滿足每個特定器件的需求,電源電壓必須嚴格控制并且主動可調。
                                     
                                    現代FPGA是有史以來最復雜的集成電路之一,它們采用最先進的晶體管技術和頂尖的架構,以實現令人難以置信的靈活性和最高的性能。隨著時間的推移和技術的進步,這種復雜性決定了,在FPGA每次更新換代時電源都要提高精度、靈活性、可控性、效率和故障感知能力,還要減小體積。因此尋找為FPGA供電的最佳解決方案并不簡單,一種為特定FPGA尋找優秀供電解決方案的流行方法,是使用許多FPGA供應商均提供的已有電源管理參考設計。這對于優化設計來說是一個很好的入門方式,但此類設計往往需要修改。作為高性能模擬器件專業提供商,ADI可以為FPGA提供從電源管理選型與優化工具LTpowerCAD到全套電源管理系統PSM的完整解決方案,以使FPGA實現最佳的效率、速度和功率水平。
                                     
                                    如何為 FPGA 設計一款理想的電源?
                                    FPGA可配置架構
                                     
                                    如何選擇合適的DC-DC轉換器為FPGA供電?
                                    LTpowerCAD 可用來為各個電壓軌提供電源解決方案,還提供一系列參考設計,以讓設計人員快速入門,且該工具可以免費下載。一旦選擇了電源架構和各個電壓轉換器,就需要選擇合適的被動組件來設計電源。進行這件事時,需要牢記 FPGA 的特殊負載要求,它們分別是:
                                     
                                    Ø 各項電流需求
                                    FPGA的實際電流消耗在很大程度上取決于使用情況。不同的頻率和不同的FPGA內容需要不同的功率,因此,在FPGA系統的設計過程中,典型FPGA設計的最終電源規格必然會發生變化。為了利用此類功率估算工具獲得有意義的結果,FPGA的設計必須最終確定,或者至少接近最終完成。
                                     
                                    Ø 電壓軌時序控制
                                    許多FPGA要求不同電源電壓軌以特定順序上電。核心電壓的供應往往需要早于I/O電壓的供應,否則一些FPGA會被損壞。為了避免這種情況,電源需要按正確的順序上電。使用標準DC-DC轉換器上的致能接腳,可以輕松實現簡單的上電時序控制。然而,組件關斷通常也需要時序控制,僅執行致能接腳時序控制,很難取得良好的結果。更好的解決辦法是使用具有進階整合時序控制功能的 PMIC,例如集成四通道低噪聲降壓穩壓器的電源解決方案——ADP5014。
                                     
                                    Ø 電壓軌單調上升
                                    除了電壓時序之外,啟動過程中還可能要求電壓單調上升,這意味著電壓僅線性上升。在啟動過程中,當電壓上升到一定電平時負載開始拉大電流,就會發生電壓非單調上升的情況,防止這種情況的一種辦法,是延長電源的軟啟動時間,并選擇能夠快速提供大量電流的電源轉換器。
                                     
                                    Ø 快速電源瞬變
                                    FPGA的另一個特點是它會非常迅速地開始汲取大量電流,這會在電源上造成很高的負載瞬變。針對電源的負載瞬變和啟動行為,開發工具鏈(包括LTpowerCAD,尤其是LTspice)非常有幫助。該工具可以達到良好的建模和模擬,從而有效實現FPGA的大輸入電容與電源的輸出電容的去耦。
                                     
                                    Ø 電壓精準度
                                    FPGA電源的電壓精準度通常要求非常高,3%的變化容差帶相當常見。例如,為使0.85V的Stratix V核心電壓軌保持在3%的電壓精準度窗口內,要求全部容差帶僅為25.5mV,這個小窗口包括負載瞬變后的電壓變化,以及直流精準度。同樣,對于此類嚴格要求,包括LTpowerCAD和LTspice在內的可用電源工具鏈在電源設計過程中非常重要。
                                     
                                    應對電源系統管理面臨的挑戰
                                    工程師應該將大部分時間用于編程——他們不希望花費時間和精力去考慮如何設計合適的電源。實際上,最佳供電方案就是采用一種既能滿足項目當前需求,又能達到項目升級發展需求的,強大、靈活且行之有效的設計方案。PSM是ADI公司推出的專門針對FPGA電源系統所有要求的解決方案。該產品組合的優勢包括:
                                    ü 首屈一指的電壓精度(優于±0.5%)
                                    ü 搭載EEPROM存儲器,全面的自主性
                                    ü 完全可編程的集成式電源定序功能,橫跨整個系統的獨立上下時序功能
                                    ü 強大的集成式全系統故障管理
                                    ü 綜合遙測功能:電壓、電流、溫度和狀態
                                    ü 協調式IC系列可解決電源系統各個領域的問題
                                     
                                     如何為 FPGA 設計一款理想的電源?
                                    Intel Arria 10 SoC開發套件展示基于LTM4677電源系統管理解決方案
                                     
                                    上圖展示了Intel Arria 10 SoC開發套件采用ADI LTM4677電源系統管理解決方案。在該設計中,內核電源的工作電壓為0.95 V,工作電流為30 A。由于這些電源要求相對寬松,單個LTM4677模塊就可輕松提供所需電流(最高36 A)。對于要求更多電流的且條件更為苛刻的應用,最多可以并行運行四個LTM4677模塊,以提供高達144 A的電流。
                                     
                                     如何為 FPGA 設計一款理想的電源?
                                    單個LTM4677提供高達36 A的電流
                                     
                                    該解決方案在電路板空間利用率方面達到了最佳水平,因為集成的μModule器件只需極少的外部元件,而PMBus接口又使得我們可以配置這些器件,無需改動硬件。微模塊是復雜程度最低的解決方案,因為其中融合了許多復雜的模擬考慮因素,如電源開關、電感、電流和電壓檢測元件、環路穩定性和散熱。借助圖形用戶界面,用戶可以全面控制電源。此外,8通道PMBus兼容型電源系統管理器LTC2977能將電壓伺服到編程目標的0.25%以內,其可與LTM4677 μModule器件無縫協作,實現定序和故障響應,使整個電源系統保持統一且易于編程。
                                     
                                     如何為 FPGA 設計一款理想的電源?
                                    LTC2977可管理任意電源電壓
                                     
                                    系統中的大多數電源軌需要適度的電流(小于13 A)和適度的電壓容差。這些可由非PSM器件(如LTM4620)提供,并由LTC2977進行定序和管理。這樣就在電路板面積、復雜性和成本之間達到了非常有效的平衡。還有一些電源軌(如PLL和收發器電源)需要的低噪聲超過了開關穩壓器的能力范圍,需要采用線性穩壓器。LTC3025-1 和 LTC3026-1 能很好地滿足這些功能要求,從它們的輸出里消除開關噪聲和負載導致的噪聲。這些也可由LTC2977管理,對故障條件進行定序、修整和處理。
                                     
                                    總結
                                    在FPGA發展的每個層次和每個設計階段,電源對于FPGA的成功都扮演著重要的、看不見的角色。通過 ADI 的 LTpowerCAD,設計師可以通過直接輸入電壓軌和電流得到所需的電源解決方案,同時該公司的PSM產品系列也為用戶提供了精確、堅固、靈活、緊湊且易用的電源選擇。
                                     
                                    免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在于傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題,請電話或者郵箱聯系小編進行侵刪。
                                     
                                     
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