作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 正越來越多地用于支持視頻和圖像處理、醫(yī)療系統(tǒng)、汽車和航空航天應(yīng)用以及人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 中的高性能計(jì)算。為 FPGA 供電是一種復(fù)雜而關(guān)鍵的功能，會(huì)涉及大量不同類型的電源軌，而且有的需要高達(dá) 50 A 的電流。

為使 FPGA 正常運(yùn)行，電源軌需要按照一定的順序開啟和關(guān)斷，單調(diào)上升和單調(diào)下降，并且需要高精確度電壓和快速瞬態(tài)響應(yīng)能力。此外，用于提供各種電壓的 DC/DC 穩(wěn)壓器需要體積小，以便放置在 FPGA 附近，從而減少配電線路中的寄生效應(yīng)。此外，這些電源還必須高效，以減少 FPGA 附近的溫升。在某些系統(tǒng)中，DC/DC 穩(wěn)壓器的外形必須足夠薄，使其能夠安裝在印刷電路板（PC 板）背面。

雖然有可能設(shè)計(jì)出具有必要的集成數(shù)字電源管理功能的高能效、高性能 DC/DC 穩(wěn)壓器，但要以非常緊湊、扁平的外形來滿足這些要求則是非常艱巨的挑戰(zhàn)。這可能會(huì)導(dǎo)致無數(shù)次設(shè)計(jì)迭代并干擾 FPGA 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終造成上市時(shí)間推遲，系統(tǒng)性能降低。

為此，F(xiàn)PGA 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以采用經(jīng)過充分測試、驗(yàn)證的集成 DC/DC 穩(wěn)壓器。這類穩(wěn)壓器在其具有高熱效率的緊湊型接點(diǎn)柵格陣列 (LGA) 和球柵陣列 (BGA) 封裝內(nèi)集成了所有元器件，使其適合直接集成到 FPGA 旁邊，最大限度地提高電源系統(tǒng)（和 FPGA）的性能。

本文回顧了 FPGA 的電源輸電需求，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)電壓精度、瞬態(tài)響應(yīng)和電壓排序，并通過運(yùn)行實(shí)例詳細(xì)介紹各種與熱管理有關(guān)的挑戰(zhàn)。然后，介紹來自 [Analog Devices] 的 [集成 DC/DC 穩(wěn)壓器]以及可以加速設(shè)計(jì)過程的評(píng)估板和集成建議。這種穩(wěn)壓器適用于向 FPGA 供電，包括可以安裝在 PC 板背部的扁平版本。

FPGA 的電源要求

如內(nèi)核邏輯、輸入/輸出 (I/O) 電路、輔助電路和收發(fā)器等 FPGA 的內(nèi)部功能器件需要不同的電源軌。這類穩(wěn)壓器通常采用分布式電源架構(gòu)，為每個(gè)電源軌配備一個(gè)或多個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器，也稱為負(fù)載點(diǎn) (POL) 穩(wěn)壓器。雖然這類穩(wěn)壓器大多使用開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換來獲得最大能效，但如收發(fā)器等對(duì)噪聲敏感的電路可能需要低壓差線性 (LDO) 穩(wěn)壓器。

在小型系統(tǒng)中，降壓配電電壓通常為 5 V 或 12 V 直流 ，可以直接為 POL 供電。在較大型系統(tǒng)中，配電電壓可以是 24 V 或 48 V 直流 。當(dāng)使用較高配電電壓時(shí)，在為 POL 供電的中間電壓母線上使用降壓穩(wěn)壓器將配電電壓降至 5 V 或 12 V 直流 。POL 提供各個(gè) FPGA 電源軌所需的低電壓（圖 1）。每個(gè)電源軌都有與精度、瞬態(tài)響應(yīng)、定序和其他參數(shù)有關(guān)的具體要求。

圖 1：為 FPGA 供電需要多個(gè) POL 穩(wěn)壓器。（圖片來源：Analog Devices）

內(nèi)核 POL 通常是 FPGA 中最關(guān)鍵的電源。內(nèi)核電源可低于 1 V 直流 ，電流為數(shù)十安培，而且通常有 ±3% 或更高的精確度要求，以防出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。例如，對(duì)于具有 ±3% 內(nèi)核電壓容限規(guī)范的 FPGA，精確度為 ±1.5% 的穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)另一個(gè) ±1.5% 瞬態(tài)。如果 POL 具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)能力，將實(shí)現(xiàn)可靠的性能。然而，一個(gè)精度為 ±2% 的穩(wěn)壓器要達(dá)到所需的性能則相當(dāng)困難。只有 ±1% 可用于瞬態(tài)響應(yīng)，需要添加旁路電容并可能導(dǎo)致瞬態(tài)期間出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。

定序的波動(dòng)

除了在工作時(shí)有苛刻的電源要求外，F(xiàn)PGA 還需要各種電源軌以特定的順序和精確的時(shí)間開啟和關(guān)斷。現(xiàn)代 FPGA 通常采用許多個(gè)電源軌，且按照可以一起開啟和關(guān)斷的分組形式進(jìn)行管理。例如，[Intel] 的 [Altera Arria 10]FPGA 的功率域被分成三組來進(jìn)行管理。這些分組必須按照從第一組（有六個(gè)電壓軌）到第二組（也是六個(gè)電壓軌），再到第三組（三個(gè)電壓軌）的順序上電，并按相反的順序斷電，以防止 FPGA 損壞（圖 2）。

圖 2：FPGA 要求電源軌按特定的順序上電和斷電。（圖片來源：Analog Devices）

保持少發(fā)熱

由于如此之多的穩(wěn)壓器位于靠近 FPGA 的地方，因此熱管理是一個(gè)需要關(guān)注的問題。Analog Devices 已組裝了一塊 PC 板，用來展示使用多個(gè)穩(wěn)壓器時(shí)的一些熱管理選項(xiàng)（圖 3）。熱性能會(huì)受到穩(wěn)壓器的相對(duì)位置、氣流的方向和大小以及環(huán)境溫度的影響。

圖 3：并聯(lián)穩(wěn)壓器的熱管理演示板。（圖片來源：Analog Devices）

對(duì)于首次比較，演示板上的七個(gè)位置用于測量溫度；位置 1 至位置 4 顯示模塊的表面溫度，位置 5 至位置 7 顯示 PC 板的表面溫度（圖 4）。在這兩張熱譜圖中，外面模塊的溫度都比較低，這得益于利用三面的 PC 板區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更多散熱，而中間的模塊只通過兩面散熱。氣流也很重要。在左側(cè)熱譜圖中，有 200 LFM 的氣流來自 PC 板底部，而在右邊的圖中則沒有氣流。有氣流吹過的模塊和 PC 板的溫度約低 20 ℃。

圖4：增加200 LFM 的氣流可以顯著降低模塊和PC 板的溫度（左）。 （圖片來源：Analog Devices）

氣流的方向和環(huán)境溫度也很重要。使用 400 LFM 氣流從右向左將熱量從一個(gè)模塊推向另一個(gè)模塊時(shí)，其結(jié)果是溫度最低的模塊在右邊，位于中間的模塊最熱，而左邊模塊的溫度則在前兩者之間（圖 5，左）。為了補(bǔ)償較高的環(huán)境溫度，在 75℃ 下工作的模塊上安裝散熱片。在這種極端條件下，即使增加散熱裝置，模塊溫度也會(huì)明顯升高（圖 5，右）。

圖 5：50°C（左）和 75°C（右）環(huán)境溫度與 400 LFM 氣流從右到左穿過 PC 板的降溫效果。（圖片來源：Analog Devices）

用于背面安裝的 LGA 和 BGA 封裝

LTM4601 系列的連續(xù) 12 A（14 A 峰值）降壓型 DC/DC 穩(wěn)壓器為設(shè)計(jì)人員提供了 15 × 15 × 2.82 mm LGA 或 15 × 15 × 3.42 mm BGA 封裝選擇。該系列的輸入電壓范圍為 4.5 V 至 20 V 直流 ，可提供 0.6 V 至 5 V直流輸出，且具有輸出電壓跟蹤和邊際效應(yīng)。該系列的特點(diǎn)是 ±1.5% 調(diào)節(jié)和 35 mV 峰值偏差，適用于從 0% 到 50% 和從 50% 到 0% 的滿負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化，建立時(shí)間為 25 μs。

這種穩(wěn)壓器帶和不帶板載差分遠(yuǎn)程放大器，可用于精確調(diào)節(jié)輸出電壓，而不受負(fù)載電流影響。例如，[LTM4601IV#PBF]采用 LGA 封裝，[LTM4601IY#PBF]采用 BGA 封裝，這兩款器件都采用了板載差分遠(yuǎn)程檢測放大器。不需要板載放大器的應(yīng)用可以采用 LGA 封裝 [LTM4601IV-1#PBF] 器件或 BGA 封裝 [LTM4601IY-1#PBF] 器件。這些模塊是完整的 DC/DC 穩(wěn)壓器，只需輸入和輸出電容器來滿足具體的設(shè)計(jì)要求（圖 6）。這些模塊外形扁平，能夠安裝在 PC 板背面。

圖 6：μModule 穩(wěn)壓器是采用熱增強(qiáng)封裝的完整電源轉(zhuǎn)換器。（圖片來源：Analog Devices）

Analog Devices 提供 [DC1041A-A]演示電路，可加快對(duì) LTM4601 穩(wěn)壓器的評(píng)估。該器件的輸入電壓范圍為 4.5 V 至 20 V 直流 ，輸出電壓可通過跳線選擇，也可通過設(shè)定使其恰好或按比例跟蹤另一個(gè)模塊的輸出而上升或下降。

超薄型穩(wěn)壓器

Analog Devices [LTM4686] 的 16 × 11.9 mm LGA 封裝高度為 1.82 mm，使得這些雙 10 A 或單 20 A 穩(wěn)壓器可以安裝在足夠近的地方，從而可以共用散熱器，簡化熱管理。此外，這些穩(wěn)壓器適合安裝在 PC 板背面。使用 PMBus 協(xié)議的集成數(shù)字電源管理功能可支持遠(yuǎn)程配置和實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出電流、電壓、溫度以及其他參數(shù)。這些穩(wěn)壓器可支持兩個(gè)輸入電壓范圍；[LTM4686IV#PBF] 的工作電壓為 4.5 V 至 17 V 直流 ，[LTM4686IV-1#PBF] 的工作電壓為 2.375 V 至 17 V ~DC~ 。LTM4686 模塊支持從 0.5 V 到 3.6 V~DC~ 輸出，最大輸出誤差為 ±0.5%。在環(huán)境溫度為 +85°C、400 LFM 氣流以及 5 V~DC~ 輸入下，這些穩(wěn)壓器可提供 1 V~DC~ 18 A 輸出。

設(shè)計(jì)人員可組合使用 [DC2722A]演示電路與 LTpowerPlay 軟件，來探索 LTM4686 模塊的功能。如果只是為了穩(wěn)壓器評(píng)估，則可以采用默認(rèn)設(shè)置開啟 DC2722A，而不需要 PMBus 通信。添加該軟件和 PMBus 加密狗后，設(shè)計(jì)人員可以探索全面的數(shù)字電源管理能力，包括即時(shí)重新配置零件和查看遠(yuǎn)程信息。

電路板布局注意事項(xiàng)

雖然通過并聯(lián) μModule 穩(wěn)壓器為 FPGA 供電時(shí)很少考慮電氣因素，但與間距、通孔、接地平面和氣流有關(guān)的參數(shù)都很重要。幸運(yùn)的是，LGA 封裝設(shè)計(jì)簡化了電源和接地平面的布局，并為 PC 板提供了可靠的熱連接。放置四個(gè)并聯(lián)的 μModule 穩(wěn)壓器很容易，即重復(fù) LGA 的占地面積（圖 7）。除了異常惡劣的環(huán)境外，熱增強(qiáng)型封裝以及電源平面通常能為模塊提供足夠的冷卻。

圖 7：μModule 穩(wěn)壓器的 LGA 封裝簡化了多個(gè)模塊的并聯(lián)，并能支持增強(qiáng)熱性能。（圖片來源：Analog Devices）

結(jié)語

為了支持高性能計(jì)算應(yīng)用，F(xiàn)PGA 需要精確、高效的電源管理以及快速響應(yīng)時(shí)間。為 FPGA 中的眾多電壓軌供電是一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，可以使用 Analog Devices 的集成 μModule DC/DC 穩(wěn)壓器來應(yīng)對(duì)。這類穩(wěn)壓器還在緊湊和易于集成的封裝中實(shí)現(xiàn)了所需的電氣和熱性能。