面向FPGA應用的電源設計

近幾年，FPGA 產(chǎn)業(yè)迅速擴張，有越來(lái)越多的工程師從事著(zhù)與 FPGA 相關(guān)的設計和研發(fā)工作。作為任何一款產(chǎn)品都不可或缺的電源，也面臨來(lái)自FPGA應用的要求和挑戰。一方面是需求的增多，另一方面的技術(shù)指標要求的不斷提升，如何幫助工程師輕松完成FPGA產(chǎn)品的電源設計，讓他們得以將更多的精力投入到核心部分的設計中，從而縮短設計周期，成了每個(gè)電源廠(chǎng)商要面對的問(wèn)題。為此，筆者采訪(fǎng)了來(lái)自?xún)?yōu)質(zhì)電源產(chǎn)品供應商凌力爾特公司的DC/DC µModule 產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Afshin Odabaee，來(lái)聽(tīng)一聽(tīng)他對面向FPGA應用的電源產(chǎn)品的理解和他提出的一些理想的解決方案。

FPGA的發(fā)展

今天，FPGA呈現出高速發(fā)展的趨勢。其中 FPGA 的硅工藝方面，在縮小設計幾何尺寸方面業(yè)已取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步。這種工藝變革始于 80nm 至 40nm 的幾何尺寸縮減，而如今，28nm 器件很快即將推出。同時(shí)，在高端 FPGA 的應用方面，其強勁需求來(lái)自于高密度單板計算板、數據通信、工業(yè)以及某些非消費型便攜式設備 (例如：醫療成像和機器診斷)。較便宜的低端 FPGA 則常用于諸如相機等消費類(lèi)產(chǎn)品。由于 FPGA 的功能不斷增加并擁有“從設計至面市”時(shí)間較快的優(yōu)勢，因此許多功能強大的 FPGA 器件正在逐步取代應用 ASIC 的方法。

對電源產(chǎn)品的特殊要求

FPGA 產(chǎn)品設計中，電源是不可或缺的一部分。而應用于 FPGA 領(lǐng)域的電源包括靜態(tài)電源、動(dòng)態(tài)電源和收發(fā)器電源等多種，對不同的電源，要求也不同。

其中，靜態(tài)電源：較小幾何尺寸的 FPGA 具有較高的靜態(tài)漏電流。運用 28nm 工藝的高密度 FPGA 可能很受追捧，但其消耗電流仍然達到幾個(gè)安培；

動(dòng)態(tài)電源：這時(shí) FPGA 處于運行狀態(tài)并吸收幾十安培的電流。除了電流消耗較高之外，這些新型器件的內核電壓已下降至 1V 或更低。在非常高的電流條件下調節如此低的電壓是一項適合采用非常準確和可靠的 DC/DC 穩壓器來(lái)完成的工作；

收發(fā)器電源：新型 FPGA 用收發(fā)器的 SERDES (串行器/解串器) 接口具有 6Gbps 至 12Gbps 的速度范圍。在進(jìn)行此類(lèi)高速數據傳輸時(shí)，功耗也將增加，因而需要具較高運作效率和較低發(fā)熱量的 DC/DC 穩壓器。

凌力爾特幫助你輕松實(shí)現設計

面對這些特殊要求，凌力爾特公司在其工程和市場(chǎng)部?jì)仍O了一個(gè)特別小組，負責與兩家規模最大的 FPGA 供應商以及較小的 FPGA 廠(chǎng)商的接洽及合作事宜。凌力爾特提前數年便對 FPGA 電源架構的詳細情況進(jìn)行了解，并設計適合未來(lái) FPGA 需要的 DC/DC 穩壓器或 DC/DC 微型模塊 (μModule) 穩壓器。這些穩壓器具備相應的功能和性能，以迎合多種 FPGA 以及那些使用 FPGA 的系統。

適合 FPGA 的產(chǎn)品實(shí)例為多輸出 DC/DC μModule 穩壓器，比如 LTM4615 和 LTM4616，在 FPGA 有可能需要多達 6 種不同電壓的 FPGA 電源設計中，這兩款器件可以取代將近 30 個(gè)分立元件。凌力爾特還設計了具非常低傳導噪聲的產(chǎn)品，以最大限度地降低對高速 SERDES 數據的干擾 (即：盡量地抑制抖動(dòng))。而且，除了電源產(chǎn)品之外，凌力爾特還開(kāi)發(fā)了數據轉換器以及數字接口電源控制和監視器件，旨在簡(jiǎn)化電源調節和收發(fā)器設計。

FPGA應用之外

在談到除 FPGA 應用之外的其他熱點(diǎn)領(lǐng)域以及未來(lái)電源產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵點(diǎn)，Afshin表示，凌力爾特感興趣和擅長(cháng)的領(lǐng)域是高端產(chǎn)品。高端產(chǎn)品制造商有一個(gè)愿望，也是他們所面臨的巨大挑戰，即：設計高密度 PCB 和系統、同時(shí)提升其系統的計算和數據傳輸能力。因此，在這些制造商相互競爭的過(guò)程中，有三個(gè)主要方面將是他們必需重點(diǎn)關(guān)注的：

1 耗電量：其系統在滿(mǎn)負荷使用時(shí)的耗電量是多少？換句話(huà)說(shuō)：他們的客戶(hù)將向電力公司支付多少錢(qián)？設計精良和高性能的電源設計方案可降低耗電量。

2 散熱成本：系統設計人員通過(guò)將熱量從其系統中去除以冷卻系統，這需要花費多少錢(qián)? 花費將用于：使用具較多銅箔的較厚 PCB、較大或轉速較快的風(fēng)扇、較多的金屬 (以傳遞熱量)、系統內部各電路板之間的較長(cháng)走線(xiàn)距離 (用于提供冷卻氣流等)。

3 可靠性：高溫 (這個(gè)術(shù)語(yǔ)表達的是一種相對的概念，它取決于具體的應用及場(chǎng)合) 將會(huì )影響半導體 IC 或系統的可靠性。以較低的溫度來(lái)運作一個(gè)系統可延長(cháng)其可靠工作壽命，因此，對于高端數字系統來(lái)說(shuō)，電源管理和 DC/DC 穩壓器的選擇正變得越來(lái)越重要