基于FPGA系統(tǒng)應(yīng)用的供電要求和最新高性能DC/DC穩(wěn)壓器解決方案詳解

隨著FPGA制造工藝尺寸持續(xù)縮小、設(shè)計配置更加靈活，以及采用FPGA的系統(tǒng)的不斷發(fā)展，原來只采用微處理器和ASIC的應(yīng)用現(xiàn)在也可以用FPGA來實 現(xiàn)了。最近FPGA供應(yīng)商推出的新型可編程器件進一步縮小了FPGA和ASIC之間的性能差別。盡管這類器件的可配置性對設(shè)計工程師很有吸引力，但使用這 些器件所涉及的復(fù)雜設(shè)計規(guī)則和接口協(xié)議，要求設(shè)計工程師經(jīng)過全面的培訓，并需要進行參考設(shè)計評估、設(shè)計仿真和驗證工作。另一方面，F(xiàn)PGA應(yīng)用中非常復(fù)雜 的模擬設(shè)計，例如用于內(nèi)核、I/O、存儲器、時鐘和其它電壓軌的DC/DC穩(wěn)壓器，也要求新的解決方案。本文討論的高性能DC/DC轉(zhuǎn)換器有助于系統(tǒng)設(shè)計 工程師克服這些挑戰(zhàn)。

FPGA系統(tǒng)的供電要求

1. 管理多個電壓軌

上一代FPGA需要2或3個電源軌，如今有些高端的多核FPGA需要多達7個電源軌，包括傳統(tǒng)的3.3V電源軌和最新出現(xiàn)的1.0V～2.8V低電壓軌，甚 至更低的電壓軌。此外，除了FPGA，存儲器、網(wǎng)絡(luò)處理器、圖形處理器、模數(shù)或數(shù)摸轉(zhuǎn)換器、運算放大器和射頻集成電路等器件也需要其它一些電壓軌。

具 有排序和跟蹤功能的DC/DC穩(wěn)壓器可確保有多個電壓軌的系統(tǒng)有序啟動，避免電壓軌之間出現(xiàn)沖突。每個穩(wěn)壓器都必須能跟蹤其它壓器的輸出電壓。盡管 FPGA不需要電壓軌排序，但是系統(tǒng)中不同部分的電壓仍需要按順序斜坡上升或下降，以免在電壓軌上升或下降太快的時候發(fā)生閉鎖。

電源軌的跟蹤和排序以前是由單獨的電源管理IC完成，如今設(shè)計工程師要求將排序和跟蹤功能嵌入到穩(wěn)壓器中，特別是當這些電源軌必須位于系統(tǒng)的不同地方時。

2. 調(diào)節(jié)低 Vt和I/O電壓

快速I/O節(jié)點通常要消耗FPGA應(yīng)用中的大部分功率，但1.8V和2.5V I/O提供幾十安培負載電流、高端系統(tǒng)要求40~80A I/O設(shè)計的情況非不常見。

根據(jù)電路板設(shè)計原則，DC/DC穩(wěn)壓器必須離負載一段距離，而且從輸出端到穩(wěn)壓點有一段較長的PCB走線。當 負載電流較大時，PCB走線會引入電壓誤差，誤差值等于負載電流（I）乘以這段走線的阻抗（R）。由于負載電壓降低、電流增大，這個I×R的電壓誤差值將 更大。例如，對3.3V電壓軌而言，200mV壓降將產(chǎn)生6%的誤差，而對1.2V電壓軌則會產(chǎn)生17%的誤差。因此，盡管DC/DC穩(wěn)壓器可以設(shè)置成輸 出1.2V電壓，但由于I×R壓降的存在，負載端只有1.0V電壓。

當采用90nm和65nm工藝時，F(xiàn)PGA的Vt和性能取決于電源軌的精確度，因此17%的誤差很容易降低性能。例如，Vt的100mV變化，將使漏電流增大10倍或者更多。

標 準DC/DC穩(wěn)壓器只有在負載電壓與輸出電壓非常接近時才能進行準確的電壓調(diào)節(jié)，但它們不能對I×R壓降進行補償。誤差校正必須用遠端感應(yīng)放大器來實現(xiàn)。 對負載進行差分遠端檢測可以實現(xiàn)最精確的調(diào)節(jié)，這時需要精確運算放大器和精確電阻。一個理想的穩(wěn)壓器應(yīng)該在-40oC至85oC的溫度范圍內(nèi)，提供至 少±1.5%的負載電壓調(diào)節(jié)精度。這樣的精度也許對3.3V電壓軌來說無關(guān)緊要，因為數(shù)字IC可容忍±0.5V的偏差，但要求1.8V、1.0V或 0.9V電壓軌的90nm或65nm器件要求更高的精度。

用戶一旦設(shè)置了穩(wěn)壓器的輸出電壓，差分遠端檢測就通過在較寬的負載電流范圍內(nèi)補償PCB走線產(chǎn)生的I×R壓降，來自動調(diào)節(jié)負載點電壓。這樣，當系統(tǒng)處于待機模式或負載電流和I×R壓降都為峰值的全速狀態(tài)時，電壓調(diào)節(jié)將非常精確。

圖1：包括基于FPGA設(shè)計所需的所有功能的四輸出103W DC/DC系統(tǒng)簡化方框圖

3. 降低電壓紋波噪聲和電容要求

在非便攜式應(yīng)用中，隨著對壓降和電流要求的提高，當選擇DC/DC穩(wěn)壓器時，熱耗散和工作效率變得更加重要。在便攜式應(yīng)用中，盡管每個電壓軌的負載電流較小，但工作效率和待機效率在節(jié)省電池能量和簡化便攜式產(chǎn)品的熱量管理方面仍非常重要。

與線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)模式DC/DC穩(wěn)壓器在便攜式和非便攜式應(yīng)用中都是一個性能更高的解決方案，尤其在功率要求較高的時候。例如，在3.3V輸入電源 在，開關(guān)模式穩(wěn)壓器能以90%的效率提供1.2V電壓和5A電流，而線性穩(wěn)壓器的效率只有36%。此外，開關(guān)模式穩(wěn)壓器要消耗0.7W功率，而線性穩(wěn)壓器 則消耗10.5W。

不過，開關(guān)模式穩(wěn)壓器因其固有的開關(guān)工作模式會引入開關(guān)噪聲和較高的輸出紋波噪聲（輸出電壓峰峰值紋波）。不幸的是， 需要更低電壓軌的新型FPGA、眼圖要求更嚴格的快速I/O信號對電源“噪聲”的容許度更低。為減少紋波噪聲，可以給電路增加更多輸入和輸出電容，以抑制 峰峰值紋波電壓。但抑制開關(guān)噪聲的挑戰(zhàn)性更大。一種可能的方法是使DC/DC穩(wěn)壓器的工作頻率與外部時鐘同步，這樣可以強制穩(wěn)壓器工作在對系統(tǒng)其它噪聲敏 感器件的干擾最小的頻率范圍內(nèi)。在幾個開關(guān)模式穩(wěn)壓器同步到一個時鐘頻率，且這個時鐘頻率不干擾系統(tǒng)其它部分的情況，這種方法尤其有效。

上述方法有助于設(shè)計噪聲較低的開關(guān)模式負載點穩(wěn)壓器解決方案，不過如果在設(shè)計之初就確定了合適的結(jié)構(gòu)、功能和布局，則能大大減少噪聲問題。這種穩(wěn)壓器能最大限度降低對電容、濾波和電磁干擾（EMI）屏蔽的依賴。

4. 精調(diào)電壓和改善空氣流動

當 FPGA或FPGA的外圍IC被組裝到一個完整的系統(tǒng)中之后，它們的性能可能與在實驗室工作臺上單獨測試得到的性能有所不同。焊料類型、溫度、PCB布 線、走線阻抗、裝配流程等都會影響器件的性能。例如，如果FPGA內(nèi)核的電壓被調(diào)節(jié)在一個非預(yù)期的電壓上，內(nèi)核運行速度就會下降，導(dǎo)致系統(tǒng)的計算能力下 降。

因此，工程師在質(zhì)檢或裝配期間評估器件性能時，要求器件能以很小的步長提高或降低輸出電壓，這個功能被稱為余量功能（margining）。在前面例子中，內(nèi)核電壓可以調(diào)高，以便使FPGA的工作頻率達到期望值。余量功能還可以幫助系統(tǒng)制造商提高生產(chǎn)高總產(chǎn)量。

人們希望基于FPGA的系統(tǒng)在增加功能、存儲容量或計算能力的同時縮小尺寸，這促使設(shè)計工程師改善器件散熱的方法，其中一個簡單方法是在器件上方實現(xiàn)有效的 空氣流動。封裝高的器件阻礙了FPGA或存儲器這類封裝薄的器件上方的空氣流動。預(yù)裝配的DC/DC負載點穩(wěn)壓器引起的空氣阻塞問題非常嚴重，因為這些器 件的高度是FPGA和其它IC高度的6至10倍。

FPGA較薄的BGA封裝非常有用，因為可以從封裝頂部高效率地散出內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。當一個較高的器件（如預(yù)裝配的DC/DC穩(wěn)壓器）阻礙空氣流動，并緊靠FPGA器件時，F(xiàn)PGA的這種優(yōu)點就無法發(fā)揮出來。

新一代DC/DC系統(tǒng)：μModule穩(wěn)壓器

凌力爾特公司完整的開關(guān)模式DC/DC系統(tǒng)包括片上MOSFET、電感、電容、DC/DC控制器和補償電路，類似一個表面貼IC，走線簡單，只需幾個大容量 電容和一個電阻來設(shè)置輸出電壓。這個DC/DC系統(tǒng)可以預(yù)組裝，并已考慮到了合理的布線和封裝，以實現(xiàn)最佳的電氣和熱性能。DC/DC開關(guān)模式架構(gòu)采用電 流模式，其快速的瞬態(tài)響應(yīng)特性有助于最大限度地減小所需的輸出電容。這個DC/DC系統(tǒng)與外部時鐘同步，因此多個系統(tǒng)可以并聯(lián)起來以提供大電流，同時最大 程度地減小開關(guān)噪聲干擾和輸出紋波噪聲。這些新型DC/DC穩(wěn)壓器采用微小、輕型的表面貼封裝，以使電路板組裝更緊湊、更簡單。封裝的高度很低，以便于空 氣在該系統(tǒng)和有關(guān)IC的上方流動。

凌力爾特公司將這個新一代的DC/DC系統(tǒng)稱作μModule穩(wěn)壓器。μModule穩(wěn)壓器包含一系列 器件，輸出電流范圍為6A至12A、輸入電壓為4.5V至28V、輸出電壓為0.6V至5V。有些功能豐富的μModule穩(wěn)壓器還具有跟蹤等功能，這樣 具有多個電源軌的FPGA系統(tǒng)可實現(xiàn)正確的上電和斷電。它的電感也進行了屏蔽，能最大限度地減小EMI。由于μModule穩(wěn)壓器具有余量功能，所以系統(tǒng) 設(shè)計工程師可以準確地調(diào)節(jié)電壓，除了在組裝和測試期間提高產(chǎn)量外，還可以提高FPGA和系統(tǒng)其它部分的性能。

圖1采用LTM4601、4 層PCB設(shè)計的四輸出103W μModule DC/DC系統(tǒng)。這個解決方案利用8V至16V中間總線輸入產(chǎn)生4種輸出：1.5V/12A、1.8V/12A、2.5V/12A和3.3V/10A。圖 2是簡化的方框圖。4個LTM4601單元的相位鎖定到四輸出、四相振蕩器LTC6902上，LTC6902產(chǎn)生90o交錯的時鐘信號以減小噪聲和紋波。 圖3給出了這個簡單、緊湊的解決方案的效率。特別值得一提的是，該解決方案無需散熱器。

圖2：圖1電路中的每個輸出的效率

本文小結(jié)

凌力爾特公司在DC/DC穩(wěn)壓器架構(gòu)和封裝方面的創(chuàng)新使新一代負載點解決方案能夠滿足FPGA系統(tǒng)更嚴格的要求。μModule DC/DC穩(wěn)壓器系列包括6種產(chǎn)品，具有多種功率級別和功能。μModule DC/DC解決方案非?？煽?，這為多芯片封裝器件樹立了新的性能標準，為新一代FPGA和基于FPGA的系統(tǒng)更精細地提高性能鋪平了道路。