適用于FPGA、GPU和ASIC系統的電源管理

摘要：本文通過(guò)列舉Altera 公司的 20nm Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC (片上系統) 開(kāi)發(fā)電路板的電源管理解決方案，分析了對于FPGA、GPU 或 ASIC 控制的系統中電源管理帶來(lái)的挑戰，并指出通過(guò)使用 LTPowerCAD 和 LTPowerPlanner 這類(lèi)工具，可以大大簡(jiǎn)化對負載點(diǎn)穩壓器以及各部分分析結果的映射任務(wù)。

引言

　　在FPGA、GPU或ASIC控制的系統板上，僅有為數不多的幾種電源管理相關(guān)的設計挑戰，但是由于需要反復調試，所以這類(lèi)挑戰可能使系統的推出時(shí)間嚴重滯后。不過(guò)，如果特定設計或類(lèi)似設計已經(jīng)得到電源產(chǎn)品供應商以及FPGA、GPU和ASIC制造商的驗證，就可以防止很多電源和DC/DC調節問(wèn)題。分析和解決問(wèn)題的負擔常常落在系統設計師的肩上。配置設計方案復雜的數字部分已經(jīng)占據了這些設計師的大部分精力。因此，處理設計方案的模擬和電源部分就成了主要挑戰，因為電源并非如很多設計師所預期的那樣是個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

周全的電源管理從一開(kāi)始就很有挑戰性

　　所有設計任務(wù)一開(kāi)始都很有挑戰性，例如為一個(gè)包含收發(fā)器、內存模塊、傳感器、線(xiàn)路連接器以及網(wǎng)狀PCB走線(xiàn)和多層 PCB平面的復雜系統設計電源管理方案。不過(guò)，雜亂無(wú)章地使用 DC/DC穩壓器、電容器、電感器、散熱器和其他散熱措施以及組件布局來(lái)應對電源管理設計可能會(huì )導致后續設計問(wèn)題。如果系統設計師匆忙決定選擇較差的解決方案，那么后來(lái)可能出現調試工作進(jìn)行不下去的情況。

從哪里開(kāi)始電源管理設計

　　以一種系統化和考慮周全的設計方式，可以很有把握地開(kāi)始任何電源管理電路的設計。換句話(huà)說(shuō)，在PCB組裝之前，如果分析是準確的，解決了電源管理相關(guān)的設計挑戰，那么就可以簡(jiǎn)化電源管理電路的設計。另外，電源管理指南給出的電路經(jīng)過(guò)測試和驗證，滿(mǎn)足FPGA、ASIC、GPU和微處理器以及采用這些及其他數字組件的系統的要求。利用經(jīng)過(guò)驗證的電源管理解決方案設計電源管理電路，將確保項目從一開(kāi)始就很有把握。這是讓設計方案從原型階段快速進(jìn)入生產(chǎn)階段的關(guān)鍵，因為這樣可以節省電源調試時(shí)間。

給Arria 10 FPGA和Arria 10 SoC供電

　　系統開(kāi)發(fā)人員可以使用FPGA開(kāi)發(fā)工具評估FPGA，而無(wú)須設計一個(gè)完整的系統。圖1和圖2是Altera公司新的20nm Arria 10 FPGA和Arria 10 SoC (片上系統) 開(kāi)發(fā)電路板。這些電路板經(jīng)過(guò)Altera公司的測試和驗證，列舉了有關(guān)布局、信號完整性和電源管理的較好的設計實(shí)踐。

面向內核、系統和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該謹慎選擇。一個(gè)經(jīng)過(guò)精心計劃的電源管理設計可以減小PCB尺寸、減輕重量并降低復雜性，同時(shí)降低功耗和冷卻成本。這對優(yōu)化系統性能而言是必不可少的。例如，為圖1中Arria 10 GX FPGA 的內核供電的12V DC/DC穩壓器提供0.95V/105A，該 DC/DC穩壓器有幾個(gè)特點(diǎn)，對SoC的省電方法起到了補充作用：

　　? Arria 10的 SmartVID 運用DC/DC穩壓器中集成的6位并聯(lián)VID接口來(lái)控制DC/DC穩壓器，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下降低了 FPGA 功耗;

　　? DC/DC穩壓器運用DCR值非常低的電流檢測方法，通過(guò)最大限度降低電感器中的功耗，提高了效率。溫度補償在電感器溫度較高時(shí)保持準確度或DCR值不變;

　　表1概述了圖1所示Arria 10開(kāi)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。

用LTpowerPlanner設計工具定制電源樹(shù)

　　如果開(kāi)發(fā)套件中列舉的設計不能滿(mǎn)足自己的電源要求，還可以用基于PC的LTpowerPlanner?工具來(lái)實(shí)現系統電源樹(shù)的個(gè)性化和優(yōu)化。

　　從開(kāi)發(fā)套件中給出的建議著(zhù)手，然后重新組織電源構件、改變電源額定值、計算效率和功耗、仿真每個(gè)電源構件、選擇 DC/DC 穩壓器器件型號并驗證定制解決方案。

　　LTpowerPlanner是用來(lái)產(chǎn)生滿(mǎn)足Arria 10開(kāi)發(fā)套件中 FPGA 要求及系統要求的電源樹(shù) (圖3)，是用途更廣泛的 LTpowerCAD?設計工具之一。該軟件是一款分析性和簡(jiǎn)便易用的初步設計工具，用來(lái)映射電源要求。

LTpowerCAD功能

　　? 選擇具體的凌力爾特DC/DC穩壓器，以與給定電源性能規格匹配;

　　? 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)化穩壓器環(huán)路穩定性、輸出阻抗和負載瞬態(tài)響應;

　　? 將設計方案輸出到 LTspice? 。

結論

　　使用 LTPowerCAD 和 LTPowerPlanner 這類(lèi)工具，可以大大簡(jiǎn)化對負載點(diǎn)穩壓器以及各部分分析結果的映射任務(wù)。為了舉例說(shuō)明這些優(yōu)勢，本文采用了用于A(yíng)ltera Arria 10 FPGA和SoC以及其他Altera FPGA(包括電源樹(shù)和材料清單) 的開(kāi)發(fā)套件設計指南。這些開(kāi)發(fā)套件均經(jīng)過(guò)Altera 、賽靈思或第三方開(kāi)發(fā)商的測試和驗證。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第68頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。