【導(dǎo)讀】在 FPGA、GPU 或 ASIC 控制的系統(tǒng)板上，僅有為數(shù)不多的幾種電源管理相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但是由于需要反復(fù)調(diào)試，所以這類挑戰(zhàn)可能使系統(tǒng)的推出時(shí)間嚴(yán)重滯后。不過(guò)，如果特定設(shè)計(jì)或類似設(shè)計(jì)已經(jīng)得到電源產(chǎn)品供應(yīng)商以及 FPGA、GPU 和 ASIC 制造商的驗(yàn)證，就可以防止很多電源和 DC/DC 調(diào)節(jié)問(wèn)題。分析和解決問(wèn)題的負(fù)擔(dān)常常落在系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的肩上。配置設(shè)計(jì)方案復(fù)雜的數(shù)字部分已經(jīng)占據(jù)了這些設(shè)計(jì)師的大部分精力。因此處理設(shè)計(jì)方案的模擬和電源部分就成了主要挑戰(zhàn)，因?yàn)殡娫床⒎侨绾芏嘣O(shè)計(jì)師所預(yù)期的那樣是個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。
周全的電源管理從一開始就很有挑戰(zhàn)性
所有設(shè)計(jì)任務(wù)一開始都很有挑戰(zhàn)性，例如為一個(gè)包含收發(fā)器、內(nèi)存模塊、傳感器、線路連接器以及網(wǎng)狀 PCB 走線和多層 PCB 平面的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源管理方案。不過(guò)，雜亂無(wú)章地使用 DC/DC 穩(wěn)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(lái)應(yīng)對(duì)電源管理設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計(jì)問(wèn)題。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)師匆忙決定選擇較差的解決方案，那么后來(lái)可能出現(xiàn)調(diào)試工作進(jìn)行不下去的情況。
從哪里開始電源管理設(shè)計(jì)
以一種系統(tǒng)化和考慮周全的設(shè)計(jì)方式，可以很有把握地開始任何電源管理電路的設(shè)計(jì)。換句話說(shuō)，在 PCB 組裝之前，如果分析是準(zhǔn)確的，解決了電源管理相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，那么就可以簡(jiǎn)化電源管理電路的設(shè)計(jì)。另外，電源管理指南給出的電路經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，滿足 FPGA、ASIC、GPU 和微處理器以及采用這些及其他數(shù)字組件的系統(tǒng)之要求。利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電源管理解決方案設(shè)計(jì)電源管理電路，將確保項(xiàng)目從一開始就很有把握。這是讓設(shè)計(jì)方案從原型階段快速進(jìn)入生產(chǎn)階段的關(guān)鍵，因?yàn)檫@樣可以節(jié)省電源調(diào)試時(shí)間。
一個(gè)很好的例子：給 Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供電
系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用 FPGA 開發(fā)工具評(píng)估 FPGA，而無(wú)須設(shè)計(jì)一個(gè)完整的系統(tǒng)。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(tǒng)) 開發(fā)電路板。這些電路板經(jīng)過(guò) Altera 公司的測(cè)試和驗(yàn)證，列舉了有關(guān)布局、信號(hào)完整性和電源管理的最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐。
圖 1：Arria 10 GX FPGA 開發(fā)套件電路板
圖 2：Arria 10 SoC 開發(fā)套件電路板
面向內(nèi)核、系統(tǒng)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(yīng)該謹(jǐn)慎選擇。
一個(gè)經(jīng)過(guò)精心計(jì)劃的電源管理設(shè)計(jì)可以減小 PCB 尺寸、減輕重量并降低復(fù)雜性，同時(shí)降低功耗和冷卻成本。這對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)性能而言是必不可少的。
例如，為圖 1 中 Arria 10 GX FPGA 的內(nèi)核供電的 12V DC/DC 穩(wěn)壓器提供 0.95V/105A，該 DC/DC 穩(wěn)壓器有幾個(gè)特點(diǎn)，對(duì) SoC 的省電方法起到了補(bǔ)充作用：
Arria 10 的 SmartVID 運(yùn)用 DC/DC 穩(wěn)壓器中集成的 6 位并聯(lián) VID 接口來(lái)控制 DC/DC 穩(wěn)壓器，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下降低了 FPGA 功耗。
DC/DC 穩(wěn)壓器運(yùn)用 DCR 值非常低的電流檢測(cè)方法，通過(guò)最大限度降低電感器中的功耗，提高了效率。溫度補(bǔ)償在電感器溫度較高時(shí)保持準(zhǔn)確度或 DCR 值不變。
表 1 概述了圖 1 所示 Arria 10 開發(fā)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(wèn) www.linear.com.cn/altera，點(diǎn)擊 Arria，了解本文所示兩種電路板的詳細(xì)技術(shù)信息。
表 1：圖 1 所示 Arria 10 GX FPGA 開發(fā)套件電路板的電源管理電路材料清單
用 LTpowerPlanner 設(shè)計(jì)工具定制電源樹
如果開發(fā)套件中列舉的設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源樹的個(gè)性化和優(yōu)化。
從開發(fā)套件中給出的建議著手；然后容易地重新組織電源構(gòu)件、改變電源額定值、計(jì)算效率和功耗、仿真每個(gè)電源構(gòu)件、選擇 DC/DC 穩(wěn)壓器器件型號(hào)并驗(yàn)證定制解決方案。
LTpowerPlanner 用來(lái)產(chǎn)生滿足 Arria 10 開發(fā)套件中 FPGA 要求及系統(tǒng)要求的電源樹 (圖 3)，是用途更廣泛的 LTpowerCAD® 設(shè)計(jì)工具之一，可登錄以下網(wǎng)址免費(fèi)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(shè)計(jì)，該軟件是一款分析性和簡(jiǎn)便易用的初步設(shè)計(jì)工具以用來(lái)映射電源要求。
LTC2974 (用在電路板上) 增加 PMBus 功能：電源排序、監(jiān)視、裕度調(diào)節(jié)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(lán)色
White：白色
Pink：粉色
DC to DC Regulator：DC 至 DC 穩(wěn)壓器
Summary Report：總結(jié)報(bào)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(wěn)壓器，以與給定電源性能規(guī)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(yōu)化效率和功耗
優(yōu)化穩(wěn)壓器環(huán)路穩(wěn)定性、輸出阻抗和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)
將設(shè)計(jì)方案輸出到 LTspice®
結(jié)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(jiǎn)化對(duì)負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器以及各部分分析結(jié)果的映射任務(wù)。為了舉例說(shuō)明這些優(yōu)勢(shì)，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(fā)套件設(shè)計(jì)指南。這些開發(fā)套件均經(jīng)過(guò)Altera 、賽靈思或第三方開發(fā)商的測(cè)試和驗(yàn)證。
