在設計FPGA、GPU或ASIC控制系統時，與數字設計相關的電源管理和模擬系統相關的設計挑戰數量相形見絀。然而，假設電源系統設計可以留給“以后”或與數字設計保持一致是有風險的。即使是電源設計中看似無害的問題也會顯著延遲系統的發布，因為電源系統調試周期的任何增加時間都可能停止數字端的所有工作。

解決 DC/DC 監管問題的一個好方法是使用 FPGA、GPU 或 ASIC 供應商提供的經過驗證的開發套件。通常，電源產品供應商以及FPGA、GPU和ASIC制造商可以作為電路板/套件提供設計本身或類似設計。使用經過測試和驗證的套件可以減輕系統設計人員大多數電源系統和模擬問題的負擔，使他們能夠將精力集中在配置復雜的數字系統上。在進行重大設計之前，先確定最佳的電源系統布局。

深思熟慮的電源管理在開始時具有挑戰性

每個設計任務最初都是艱巨的，電源管理設計也不例外。當復雜系統中需要電源時，包括收發器、存儲器模塊、傳感器、線路連接器和PCB走線網格和PCB平面層。使用眾多 DC/DC 穩壓器、電容器、電感器、散熱和散熱器以及組件布局隨意解決系統電源管理問題可能會導致下游設計問題。簡單地投入具有正確輸入/輸出要求的DC/DC穩壓器在某些時候會抑制進度，并導致耗時的調試過程。

從哪里開始電源管理

與數字設計和編碼一樣，電源管理設計也應系統地進行。在PCB組裝之前，應仔細分析和準確建模電源管理系統。電源管理指南已經過測試和驗證，可滿足FPGA、ASIC、GPU和微處理器以及使用這些組件和其他數字組件的系統的要求。將電源系統與經過驗證的電源管理解決方案進行映射，可確保項目充滿信心地啟動。這是將設計從原型設計階段快速轉變為生產階段的關鍵，可以減少在調試電源上花費的時間。

案例研究：為 Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供電

如上所述，FPGA 開發套件使系統開發人員能夠評估 FPGA，而無需從頭開始設計完整的系統。圖 1 和圖 2 顯示了 Altera 的新型 20 納米 Arria 10 FPGA 和 Arria 10SoC（片上系統）開發板。這些電路板經過 Altera 的測試和驗證，體現了布局、信號完整性和電源管理方面的最佳設計實踐。

圖1.Arria 10 GX FPGA 開發套件板。用于電源傳輸和與LTpowerPlanner接口的所有功能（圖形軟件控制）都包含在電路板上，并經過工廠測試和驗證。最大限度地減少了系統調試，并簡化了性能測試（包括裕量調節）。有關所包含電源管理組件的摘要，請參閱表 1。?

圖2.Arria 10 GX FPGA 板的電源診斷樹（圖 1）。LTpowerPlanner設計，LTpowerPlanner是一款用于映射功率需求的分析性且簡單的第一步設計工具。

內核、系統和 I/O 的電源管理

應仔細選擇高端 FPGA 的電源管理解決方案，包括 Arria 10。經過深思熟慮的電源管理設計可以減小PCB尺寸、重量和復雜性，并最大限度地降低功耗和冷卻成本。這對于實現最佳系統性能至關重要。

例如，圖1中為Arria 10 GX FPGA內核供電的12V DC/DC穩壓器提供的0.95V/105A電壓具有幾個功能，補充了SoC的節能方案：

Arria 10 的 SmartVID 使用 DC/DC 穩壓器的集成 6 位并行 VID 接口來控制 DC/DC 穩壓器，并在靜態和動態狀態下降低 FPGA 功耗。

DC/DC 穩壓器的極低值 DCR 電流檢測通過最大限度地減少電感中的功率損耗來提高效率。溫度補償可在較高的電感溫度下保持精度或DCR值。

表 1 總結了 Arria 10 開發套件的電源軌和功能，如圖 1 所示。下表列出了每個函數的部件和說明。訪問此鏈接并單擊 Arria，并訪問此處介紹的兩塊板的技術詳細信息。

使用 LTpowerPlanner 設計工具自定義電源樹

如果您的電源要求與開發套件中的示例設計不同，該怎么辦？在這些情況下，使用基于 LTpowerPlanner PC 的設計工具來個性化和優化系統的電源樹。?

從開發工具包中給出的建議開始;然后重新組織電源模塊，更改額定功率，計算效率和功率損耗，模擬每個電源模塊，選擇 DC/DC 穩壓器部件號并驗證自定義解決方案。

LTpowerPlanner用于為Arria 10開發套件的FPGA和系統要求生成電源樹（圖3），并在更全面的LTpowerCAD設計工具中提供，可在 www.analog.com/ltpowercad 免費下載。?

圖3.Arria 10 SoC 開發套件板

圖4.Arria 10 SoC 開發套件板的電源診斷樹（圖 3）。

LTpowerCAD使用戶能夠：

選擇特定的凌力爾特 DC/DC 穩壓器以匹配給定的電源規格

選擇合適的功率元件，如電感器、電阻器和電容器

優化效率和功率損耗

優化穩壓器環路穩定性、輸出阻抗和負載瞬態響應

將設計導出到 LTspice?

結論

充滿信心地開始電源管理布局。LTpowerCAD和LTpowerPlanner等工具簡化了映射負載點穩壓器和分析整體性能的任務。此處顯示的示例具體概述了使用 Altera Arria 10 FPGA 和 SoC 開發套件設計指南的優勢。

審核編輯：郭婷