適用于 FPGA、GPU 和 ASIC 系統的電源管理

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之要求。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。

一個(gè)很好的例子：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 顯示了 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最佳設計實(shí)踐。

圖 1：Arria 10 GX FPGA 開(kāi)發(fā)套件電路板

圖 2：Arria 10 SoC 開(kāi)發(fā)套件電路板

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。訪(fǎng)問(wèn) www.linear.com.cn/altera，點(diǎn)擊 Arria，了解本文所示兩種電路板的詳細技術(shù)信息。

表 1：圖 1 所示 Arria 10 GX FPGA 開(kāi)發(fā)套件電路板的電源管理電路材料清單

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)足自己的電源要求怎么辦?在這種情況下，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;然后容易地重新組織電源構件、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 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，可登錄以下網(wǎng)址免費下載：www.linear.com.cn/ltpowercad。

圖 3：用于 Arria 10 GX FPGA 電路板 (圖 1) 的電源樹(shù)。用 LTpowerPlanner 設計，該軟件是一款分析性和簡(jiǎn)便易用的初步設計工具以用來(lái)映射電源要求。

LTpowerCAD 可幫助用戶(hù)：

· 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

我們可以有把握地開(kāi)始電源管理電路布局。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 Altera 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。訪(fǎng)問(wèn)以下網(wǎng)址可獲得有關(guān)信息：www.linear.com.cn/altera。如需了解賽靈思 FPGA 開(kāi)發(fā)套件，請訪(fǎng)問(wèn)：www.linear.com.cn/xilinx。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。