ADI 公司 適用于 FPGA、GPU 和 ASIC 系統的電源管理
前言：
凌力爾特公司 (現隸屬 ADI 公司)
微型模塊電源產品部
業務經理
Afshin Odabaee
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的設計挑戰，但是由于需要反復調試，所以這類挑戰可能使系統的推出時間嚴重滯后。不過，如果特定設計或類似設計已經得到電源產品供應商以及 FPGA、GPU 和 ASIC 制造商的驗證，就可以防止很多電源和 DC/DC 調節問題。分析和解決問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簡單的任務。
周全的電源管理從一開始就很有挑戰性
所有設計任務一開始都很有挑戰性，例如為一個包含收發器、內存模塊、傳感器、線路連接器以及網狀 PCB 走線和多層 PCB 平面的復雜系統設計電源管理方案。不過，雜亂無章地使用 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應對電源管理設計可能會導致后續設計問題。如果系統設計師匆忙決定選擇較差的解決方案，那么后來可能出現調試工作進行不下去的情況。
從哪里開始電源管理設計
以一種系統化和考慮周全的設計方式，可以很有把握地開始任何電源管理電路的設計。換句話說，在 PCB 組裝之前，如果分析是準確的，解決了電源管理相關的設計挑戰，那么就可以簡化電源管理電路的設計。另外，電源管理指南給出的電路經過測試和驗證，滿足 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。利用經過驗證的電源管理解決方案設計電源管理電路，將確保項目從一開始就很有把握。這是讓設計方案從原型階段快速進入生產階段的關鍵，因為這樣可以節省電源調試時間。
一個很好的例子：給 Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供電
系統開發人員可以使用 FPGA 開發工具評估 FPGA，而無須設計一個完整的系統。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) 開發電路板。這些電路板經過 Altera 公司的測試和驗證，列舉了有關布局、信號完整性和電源管理的最佳設計實踐。
圖 1：Arria 10 GX FPGA 開發套件電路板
圖 2：Arria 10 SoC 開發套件電路板
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。
一個經過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，同時降低功耗和冷卻成本。這對優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 穩壓器有幾個特點，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 VID 接口來控制 DC/DC 穩壓器，在靜態和動態情況下降低了 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保持準確度或 DCR 值不變。
表 1 概述了圖 1 所示 Arria 10 開發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。訪問 www.linear.com.cn/altera，點擊 Arria，了解本文所示兩種電路板的詳細技術信息。
表 1：圖 1 所示 Arria 10 GX FPGA 開發套件電路板的電源管理電路材料清單
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電源軌 / 功能 |
器件型號 |
器件描述 |
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FPGA 內核 |
LTC3877 + LTC3874 |
在 0.9V 的105A 穩壓器與 Arria 10 SmartVID 無縫連接 |
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高速收發器 |
LTM4637 |
20A µModule® (微型模塊) 穩壓器 |
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上電 / 斷電排序、電壓和電流監視、電壓裕度調節以及故障管理 |
LTC2977 |
8 通道 PMBus 電源系統管理器 |
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PowerPath™ (電源通路) 管理 |
LTC4357 |
高壓理想二極管控制器 |
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來自 12VIN 的 3.3V 中間總線 |
LTM4620 |
雙通道 13A 或單通道 26A µModule穩壓器 |
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輸入過壓保護 |
LTC4365 |
過壓、欠壓及反向電源保護控制器 |
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內務處理系統電源和電源管理 |
LT1965、LT3082、LTC4352、LTC3025-1、LTC2418 |
低噪聲線性穩壓器，24 位 ADC；低壓理想二極管 |
用 LTpowerPlanner 設計工具定制電源樹
如果開發套件中列舉的設計不能滿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® 工具來實現系統電源樹的個性化和優化。
從開發套件中給出的建議著手；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 用來產生滿足 Arria 10 開發套件中 FPGA 要求及系統要求的電源樹 (圖 3)，是用途更廣泛的 LTpowerCAD® 設計工具之一，可登錄以下網址免費下載：www.linear.com.cn/ltpowercad。
圖 3：用于 Arria 10 GX FPGA 電路板 (圖 1) 的電源樹。用 LTpowerPlanner 設計，該軟件是一款分析性和簡便易用的初步設計工具以用來映射電源要求。
LTC2974 (用在電路板上) 增加 PMBus 功能：電源排序、監視、裕度調節和故障記錄
Loss：功耗
Sequence On：排序接通
Sequence Off：排序斷開
Green：綠色
Blue：藍色
White：白色
Pink：粉色
DC to DC Regulator：DC 至 DC 穩壓器
Summary Report：總結報告
Total Input Power：總輸入功率
Total Output Power：總輸出功率
Total Power Loss：總功耗
Total Efficiency：總效率
Total Solution Size：解決方案總體尺寸
LTpowerCAD 可幫助用戶：
• 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)
• 優化效率和功耗
• 優化穩壓器環路穩定性、輸出阻抗和負載瞬態響應
• 將設計方案輸出到 LTspice®
結論
我們可以有把握地開始電源管理電路布局。使用 LTPowerCAD 和 LTPowerPlanner 這類工具，可以大大簡化對負載點穩壓器以及各部分分析結果的映射任務。為了舉例說明這些優勢，本文采用了用于 Altera Arria 10 FPGA 和 SoC以及其他 Altera FPGA (包括電源樹和材料清單) 的開發套件設計指南。訪問以下網址可獲得有關信息：www.linear.com.cn/altera。如需了解賽靈思 FPGA 開發套件，請訪問：www.linear.com.cn/xilinx。這些開發套件均經過Altera 、賽靈思或第三方開發商的測試和驗證。
