Enpirion電源解決方案：高端嵌入式系統理想之選

　　在技術(shù)進(jìn)步和應用推動(dòng)的雙重助力下，FPGA和SoC不斷向“全能王”邁進(jìn)，其特性比以前更豐富、功能也越來(lái)越齊全，推動(dòng)下一代嵌入式系統不斷發(fā)展。與FPGA和SoC的復雜度對應的是，需要更高性能的電源與之匹配，以滿(mǎn)足嚴格的散熱、電源軌、可靠性等要求。而采用傳統模擬的解決方案難以適應這一迫切的需求。在FPGA領(lǐng)域深耕的Altera，早已前瞻性地意識到這一挑戰，通過(guò)收購整合和創(chuàng )新的布局，開(kāi)發(fā)出Enpirion系列數字電源解決方案，全面應對新挑戰。

　　高端嵌入式系統的電源管理挑戰

　　FPGA和SoC集成度走高，不僅增加了大量IP模塊，加入了大量的混合信號功能，諸如百萬(wàn)級的邏輯單元、幾十Gbps高速收發(fā)器通路、硬核浮點(diǎn)DSP、集成ARM內核等，其所達到的系統級性能也可謂前所未有。如何給更高復雜性、更多不確定性的FPGA和SoC供電，同時(shí)又能滿(mǎn)足系統低功耗設計的需求，已成為一個(gè)極具現實(shí)性和挑戰性的問(wèn)題。

　　這些挑戰體現在以下幾個(gè)方面：

　　1.滿(mǎn)足嚴格的FPGA電源軌要求——因所需要的電源軌越來(lái)越多，FPGA電壓要求越來(lái)越復

　　雜。以前，內核和I/O單元需要兩個(gè)電源軌，還有可能采用第三個(gè)用于其他功能，而現在的高端FPGA會(huì )需要數十個(gè)外部驅動(dòng)的電源軌。而且，還需要為內核電源軌VCC提供嚴格的±30 mV電源軌靜態(tài)精度，為高速收發(fā)器電源軌提供更嚴格的精度。

　　2.滿(mǎn)足系統功耗和散熱預算限制——盡管高端FPGA和SoC系統的架構和集成度越來(lái)越高，但對系統功耗和散熱的要求不降反升，性能與功耗比這個(gè)瓶頸需要創(chuàng )新的電源管理解決方案來(lái)突破。

　　3.構建魯棒而又可靠的系統——高端嵌入式系統的目標市場(chǎng)包括數據中心、高清視頻處理、醫療、工業(yè)等應用，這些系統對可靠性和安全性的要求更高，要求系統在面對異常和故障情況下能夠保持正常的運作，保證人員的安全，所以可靠的電源管理系統至關(guān)重要。

　　4.符合預算要求按時(shí)完成其項目——系統的設計成本與設計周期一直是系統設計師最關(guān)注也是最渴望解決的難題。如何通過(guò)簡(jiǎn)化電源的設計來(lái)降低系統的成本并縮短設計周期?

　　這些復雜的性能要求需要建立特殊的、優(yōu)化的定制處理資源，現有的電源解決方案，包括模擬轉換器和分立的數字轉換器都無(wú)法理想地滿(mǎn)足高端嵌入式系統的需求。理想的電源管理解決方案除了要滿(mǎn)足嚴格的FPGA電源軌要求，還需要在功耗和散熱預算限制、可靠性、成本以及設計周期等要求之間找到最佳結合點(diǎn)，從而使解決方案的大小、功耗和性能達到一個(gè)完美的平衡。

　　Enpirion系列電源解決方案應運而生

　　普適計算、智能空間等概念前所未有地擴展了嵌入式系統的應用范圍。根據Transparency Market Research的一份最新市場(chǎng)報告，2014年嵌入式系統市場(chǎng)容量為1529.4億美元，預計將以6.4%的年復合增長(cháng)率增長(cháng)，到2021年市場(chǎng)容量將達2331.3億美元。

　　嵌入式系統市場(chǎng)不斷“刷新”表現，隨著(zhù)系統芯片不斷地推陳出新， 而與之配套的電源管理芯片也正成為競爭勝出的關(guān)鍵之一所在。但從市場(chǎng)來(lái)看，解決這些難題非“量身定制”電源IC不可。Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國區高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超提到，一般大型電源公司的電源IC會(huì )有很多不同的應用領(lǐng)域，例如消費類(lèi)移動(dòng)市場(chǎng)，車(chē)載市場(chǎng)，通訊市場(chǎng)等。他們不太會(huì )也不可能把全部的精力投入到FPGA/ASIC/SOC供電領(lǐng)域， 恰恰這個(gè)領(lǐng)域對電源性能要求極高且推廣極具挑戰而且，只有深刻地了解FPGA/SOC的核電源和高速接口供電特性，供應商才能設計出最適合其應用要求的電源IC，為整體的系統性能提升提供最佳的服務(wù)。

　　Altera的選擇可謂“對癥下藥”，即通過(guò)收購電源企業(yè)來(lái)量身定制電源IC，在去年5月份即收購了Enpirion電源公司。通過(guò)近年來(lái)的不斷整合和創(chuàng )新，開(kāi)發(fā)出Enpirion系列電源解決方案全面應對新挑戰。

　　在四大關(guān)鍵領(lǐng)域實(shí)現創(chuàng )新

　　Enpirion電源解決方案可說(shuō)是“身懷絕技”，針對高端嵌入式系統的苛刻需求，在高頻集成電路設計、磁體工程、電源封裝和結構以及DC-DC系統工程4個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域實(shí)現創(chuàng )新，為系統帶來(lái)顯著(zhù)優(yōu)勢。

　　高頻IC技術(shù)——Enpirion器件采用LDMOS技術(shù)制造，IP非常適合支持高頻工作。使用特殊的MOSFET設計方法，Altera不但提高了開(kāi)關(guān)頻率而且還降低了開(kāi)關(guān)噪聲。Enpirion器件的高頻設計結合獨特的封裝技術(shù)，使功率密度提高了20%至50%，高度比最相近的模塊競爭產(chǎn)品低20%。

　　前沿的磁體技術(shù)——Altera與最好的磁體供應商合作，開(kāi)發(fā)前沿的磁體技術(shù)，這不但能夠使電感集成到非常緊湊的開(kāi)關(guān)轉換器解決方案中，而且還能夠優(yōu)化電感，降低損耗，以最小的電流環(huán)實(shí)現非常低的EMI。

　　獨特的電源封裝和結構——Enpirion PowerSoC器件采用先進(jìn)的電源封裝和結構，以及特殊的封裝技術(shù)和電感制造流程，比其他分立和模組電源解決方案引腳布局縮小20%到50%，大大節省PCB空間。此外，Enpirion PowerSoC作為完整的電源系統進(jìn)行了測試，每一片PowerSoC都經(jīng)過(guò)了驗證，能夠與集成組件一起工作，是一種即插即用的電源解決方案。實(shí)現了45,000多年平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)，支持實(shí)現非?？煽康牡惋L(fēng)險電源設計。

　　圖：Altera電源管理解決方案在四大關(guān)鍵領(lǐng)域實(shí)現創(chuàng )新

　　先進(jìn)的DC/DC系統工程——采用多種經(jīng)過(guò)驗證、高度集成的PowerSoC解決方案，Altera避免了很多復雜的電源設計面臨的風(fēng)險難題——從控制器補償到外部元器件選擇，功率級分析、時(shí)域仿真、驗證、產(chǎn)品測試，直至穩定性等，Enpirion PowerSoC只需要很少的支持就能夠優(yōu)化實(shí)現獨特的設計。

　　還有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于，Enpirion的電源模塊基于先進(jìn)的系統封裝設計，能夠提供業(yè)界領(lǐng)先的熱降額性能。在這里，我們覺(jué)得有需要澄清一下目前客戶(hù)工程師經(jīng)常遇到的一個(gè)困惑。系統設計人員常常發(fā)現電源產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)上的輸出電流額定值與熱降額曲線(xiàn)圖所示的實(shí)際輸出電流不一致，這種狀況導致產(chǎn)品比較工作相當困難。市場(chǎng)上某些產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)上特別標注的項目也未提及測量降額曲線(xiàn)的測試條件。這就是為什么在進(jìn)行散熱性能的比較前，設計工程師必須查看產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的內頁(yè)。在許多情況下，電源模塊實(shí)際能輸出的電流通常低于廠(chǎng)商在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)中載明的數值。這種情況主要是由于測試設置和運行條件的差異造成的。

　　為了弄清楚模塊的散熱性能，設計工程師必須先了解是采用熱成像攝像頭，還是熱電偶來(lái)進(jìn)行溫度測量。其次，還必須弄清楚是在印刷電路板的單點(diǎn)測量溫度，還是出于對更高準確性的考慮，直接在諸如 FET、控制 IC 以及磁性部件等多組件處測量溫度。再者，就是弄清楚散熱測試設置模式。 部分廠(chǎng)商采用未受限設置方案; 而其他一些廠(chǎng)商采用受限設置方案——從而生成變化更為陡峭的 SOA 曲線(xiàn)。最后，系統設計人員必須弄明白當評價(jià)散熱性能時(shí)，廠(chǎng)商是否允許內部組件的溫度接近或達到最大溫度限額。而使用模塊方案的好處，是我們建議客戶(hù)從熱阻的角度出發(fā)去評估產(chǎn)品的熱降額性能。這一點(diǎn)我們有專(zhuān)門(mén)的應用白皮書(shū)可以給用戶(hù)提供一個(gè)更準確和客觀(guān)的視角。

　　超越下一代嵌入式系統需求

　　Enpirion電源IC系列發(fā)揮了先進(jìn)設計和制造技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現了顛覆性的創(chuàng )新，可以說(shuō)超越了下一代嵌入式系統的需求。Enpirion器件不僅可滿(mǎn)足Altera第10代FPGA嚴格的要求，并可對系統其他器件供電，如ASIC、處理器以及FPGA周?chē)腄DR存儲器等。嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員可以馬上采用具有 Enpirion 解決方案而且經(jīng)過(guò)驗證的參考設計和套件進(jìn)行設計，如Cyclone V SoC 開(kāi)發(fā)套件和 SoC 嵌入式套裝，MAX 10 FPGA 開(kāi)發(fā)套件，以及Arria 10 FPGA 開(kāi)發(fā)套件和 FPGA 信號完整性套件，加快設計和產(chǎn)品上市。

　　除著(zhù)力開(kāi)拓通信、數據中心、工業(yè)、新能源等應用外，Altera的Enpirion電源方案也在全力開(kāi)拓一些新興應用市場(chǎng)。由于“出色”的表現，Enpirion系列產(chǎn)品在相關(guān)客戶(hù)中應用得到了積極評價(jià)，采用Altera電源產(chǎn)品的客戶(hù)在不斷增多。一個(gè)明顯的實(shí)例就是以華為、中興和烽火為代表的國內領(lǐng)先通信企業(yè)已經(jīng)選擇了Altera的電源IC用來(lái)優(yōu)化他們的系統設計和提升可靠性。

　　作為通信市場(chǎng)的領(lǐng)導者之一，華為需要開(kāi)發(fā)新一代的RRU來(lái)保持它在無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)的競爭力，但在用定制化的ASIC實(shí)現4.5G 系統的優(yōu)化特性之前，必須盡快解決諸多挑戰。Altera的FPGA+電源解決方案可幫助他們從根本上解決這些挑戰。除了對系統功耗的優(yōu)化之外，電源SoC也能幫助減少他們的板級所需空間，同時(shí)幫助提升在輕負載和重負載下的效率，最重要的是可滿(mǎn)足他們世界級的產(chǎn)品和焊接可靠性要求。

　　張偉超表示：“Altera作為FPGA市場(chǎng)的領(lǐng)導者，通過(guò)提供更為先進(jìn)的電源管理芯片，更好地幫助客戶(hù)提升FPGA的性能，并通過(guò)最大程度的降低系統功耗和成本來(lái)簡(jiǎn)化系統設計，從而進(jìn)一步釋放先進(jìn)的FPGA技術(shù)的潛能?！薄凹蟪伞钡腅npirion電源方案將為Altera注入新的發(fā)展活力。展望未來(lái)，Altera的創(chuàng )新永不止步：將不斷加強在電源方面的技術(shù)創(chuàng )新，包括更高的集成度、更高的產(chǎn)品效率， 更強健的焊接可靠性，數字環(huán)路動(dòng)態(tài)調節并監控系統參數，最大程度地簡(jiǎn)化FPGA系統開(kāi)發(fā)等，甚至會(huì )將電源模塊集成進(jìn)系統芯片內。在這條創(chuàng )新之路上，我們完全有理由期待更多創(chuàng )新與突破性能的電源模塊芯片等著(zhù)Altera去展現。