下一代復雜系統的天作之合：Altera EM1130電源解決方案

　　系統設計時(shí)，創(chuàng )新的基石是什么?很多工程師會(huì )說(shuō)：處理器。確實(shí)，即使有再多好的想法，編寫(xiě)最智能的算法，沒(méi)有好的處理器去承載，也無(wú)從做起。而隨著(zhù)系統核心器件，如FPGA、MCU等性能不斷增加，其所消耗的功耗越來(lái)越大，例如高性能FPFA內核電流動(dòng)輒幾十安培，電壓卻很低。因此電源管理的重要性被提到了前所未有的高度，其好壞直接關(guān)系到復雜、精密的系統能否使用。

　　從去年開(kāi)始，Altera一直勵志為自己打造第4個(gè)十年的好開(kāi)端，相繼發(fā)布了3款“第10代”FPGA及SoC產(chǎn)品系列：Arria 10、Stratix 10以及MAX 10。所謂“好馬配好鞍”，性能優(yōu)異的“第10代”器件也需要搭配更好的電源解決方案，以讓其能夠更好地在系統中運行。在2013年Altera就收購了電源技術(shù)創(chuàng )新者Enpirion公司，回頭看這個(gè)事件，就知道原來(lái)這都是在為Altera高性能FPGA及其在高端領(lǐng)域的應用布局。

　　近日，Altera推出了EM1130，它是負載電流為30 A高度集成的電源模組，也是Enpirion電源解決方案產(chǎn)品的第一款數字PowerSoC DC-DC降壓轉換器。其適用于A(yíng)ltera的第10代FPGA和SoC——特別是Arria 10和Stratix 10 FPGA內核以及收發(fā)器電源軌，是Altera致力于為可編程邏輯市場(chǎng)帶來(lái)前所未有的最優(yōu)電源解決方案的重要里程碑。Altera公司全球業(yè)務(wù)總監Patrick Wadden先生從風(fēng)雪交加的美國波士頓來(lái)到馬上要春暖花開(kāi)的北京，與Altera中國區Enpirion產(chǎn)品高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超先生一起向記者介紹了EM1130的特別之處。

　　圖1 Altera公司全球業(yè)務(wù)總監Patrick Wadden先生(左)

　　與Altera中國區Enpirion產(chǎn)品高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超先生(右)

　　滿(mǎn)足復雜系統需求：效率、精度、波紋

　　Wadden先生表示：“FPGA和SoC不斷發(fā)展，在可編程架構中增加了混合信號功能，實(shí)現了以前無(wú)法企及的系統級性能。設計人員的挑戰包括，能否滿(mǎn)足嚴格的FPGA電源軌需求，滿(mǎn)足系統功耗和散熱預算的限制，構建魯棒而又可靠的系統，符合預算要求按時(shí)完成項目，滿(mǎn)足電路板和系統對功能和性能的要求。EM1139在效率、精度、波紋、尺寸、散熱性等方便都滿(mǎn)足了系統的需求，甚至超越了需求。”

　　EM1139的效率高達89%，其轉換效率是同類(lèi)產(chǎn)品中最高的，其效率比其他方案高3%~6%，系統功耗降低了1 W以上。Wadden先生解釋到：“效率提高1%相當于節省270 mW的功耗，而如果節省1 W的功耗，一年的運營(yíng)成本最多將節省30美元。對于大的數據中心而言，一年就可以節省百萬(wàn)美元。”

　　Altera高性能FPGA與競爭對手相比的一個(gè)最大優(yōu)勢是高速接口，而高速接口除了對電流有要求，對波紋要求也很高。下一代工藝節點(diǎn)(如20 nm、16 nm)使得內核電壓下降到1 V，精度對內存、處理器是很重要的指標。EM1130輸出波紋小于8 mVP-P，滿(mǎn)足±30 mV FPGA容限，EM1130的輸出精度小于0.5%，極低的輸出波紋與輸出精度相結合，保證了無(wú)縫工作， 也正好滿(mǎn)足了Arria 10、Stratix 10等高性能FPGA高速接口的需求。此外，EM1130支持快速瞬變響應，去掉了大體積而且昂貴的體電容，偏差在±35 mV，且不會(huì )影響FPGA速度。

　　張偉超先生補充到：“ EM1130有一個(gè)均流總線(xiàn)(CSB)，其速度高達500 Mb/s，而競爭對手的產(chǎn)品一般只有250 Mb/s，這滿(mǎn)足了快速動(dòng)態(tài)響應的需求。”

　　圖2 EM1130的波紋和快速瞬變響應仿真圖

　　下一代系統的天作之合

　　由于是針對Altera高性能FPGA/SoC器件而設計的，因此在已有的低功耗特性基礎上，如果再使用EM1130就會(huì )有更加出色的表現。Wadden先生舉例到：“Arria 10內部有一個(gè)叫做SmartVoltage ID(SmartVID，即最佳工作電壓)的標簽，當EM1130與Arria 10接通時(shí)，會(huì )自動(dòng)讀取SmartVID的值，實(shí)現最佳核電壓供電，精度達0.5%，從而實(shí)現更好的低功耗特性。同樣的Arria 10，在使用EM1130后，功耗降低40%。而傳統的方法是手動(dòng)設置最佳工作電壓。由于工藝、封裝、尺寸的不同，不同的Altera FPGA有不同的最佳工作電壓，EM1130都能精確自動(dòng)讀取。”

　　Altera支持智能系統以峰值性能工作。下圖是一個(gè)典型的智能系統架構圖，EM1130能讀取輸出電壓/電流、溫度和故障狀態(tài)，設置輸出電壓、故障報警和錯誤水平，提高了系統可靠性，縮短了停機時(shí)間。而競爭產(chǎn)品需要加外部組件才能做到。EM1130的遠程監測和PMBus兼容接口進(jìn)一步優(yōu)化了系統，可實(shí)現高精度遠程監測，相對于DCR監測提高了4倍。Wadden先生說(shuō)到：“Altera解決方案簡(jiǎn)化了系統管理，而精度越高，設計人員的信心也倍增，這也很重要。”

　　圖3 智能系統架構圖

　　靈活的小幫手

　　EM1130采用Dr MOS技術(shù)(驅動(dòng)+MOSFET)，內部有4層，每層都敷了一層銅，以實(shí)現很好的散熱性。EM1130實(shí)現了密度最高的集成引腳布局，面積不到其他解決方案的一半，總面積只有360 mm2 。它是一個(gè)完整的解決方案，在系統中使用時(shí)，唯一需要的就是一個(gè)輸入和輸出電容，能幫助用戶(hù)減少40%的板上面積。

　　EM1130可以在提供可靠性的同時(shí)簡(jiǎn)化設計。其提供了最先進(jìn)而且使用非常方便的數字可編程和控制功能。其自動(dòng)數字環(huán)路補償功能彌補了由于模擬器件性能不斷下降而帶來(lái)的影響，不論工作條件怎樣變化，都能夠提供魯棒的解決方案。此外，圖形用戶(hù)界面(GUI)簡(jiǎn)化了測試和配置，支持更快更簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)過(guò)程。用戶(hù)幾分鐘就可以完成EM1130的測試和配置，或者從8個(gè)預設的個(gè)性化設置中選擇一個(gè)。

　　Wadden先生表示EM1130的設計靈活性是難以置信的：“擴展解決方案支持EM1130并行運行，最多可連接6個(gè)EM1130，這樣最大內核邏輯電流就達到180 A(30 A×6),實(shí)現一種解決方案滿(mǎn)足多種需求和平臺。”

　　下一代復雜系統用傳統模擬器件提供電源將越來(lái)越難，極端情況下可能導致系統不能開(kāi)啟，EM1130完全有能力替代之前的器件。Wadden先生透露：“讓FPGA系統更好，讓FPGA設計過(guò)程更簡(jiǎn)單，讓參考設計更易于使用，這三點(diǎn)是Altera推出EM1130的初衷。我們對于計算、存儲和通信市場(chǎng)這類(lèi)高端應用有很高的期望，希望EM1130在這些領(lǐng)域能夠被客戶(hù)大規模采用。即使這些客戶(hù)的主控制器是MCU或者其他ASIC，也能夠享受EM1130帶來(lái)的高效和低功耗等卓越性能。”