适用于 FPGA、GPU 和 ASIC 系统的电源管理

作者：凌力尔特公司 (现隶属 ADI 公司)微型模块电源产品部业务经理Afshin Odabaee

在 FPGA、GPU 或 ASIC 控制的系统板上，仅有为数不多的几种电源管理相关的设计挑战，但是由于需要反复调试，所以这类挑战可能使系统的推出时间严重滞后。不过，如果特定设计或类似设计已经得到电源产品供应商以及 FPGA、GPU 和 ASIC 制造商的验证，就可以防止很多电源和 DC/DC 调节问题。分析和解决问题的负担常常落在系统设计师的肩上。配置设计方案复杂的数字部分已经占据了这些设计师的大部分精力。因此处理设计方案的模拟和电源部分就成了主要挑战，因为电源并非如很多设计师所预期的那样是个简单的任务。

周全的电源管理从一开始就很有挑战性

所有设计任务一开始都很有挑战性，例如为一个包含收发器、内存模块、传感器、线路连接器以及网状 PCB 走线和多层 PCB 平面的复杂系统设计电源管理方案。不过，杂乱无章地使用 DC/DC 稳压器、电容器、电感器、散热器和其他散热措施以及组件布局来应对电源管理设计可能会导致后续设计问题。如果系统设计师匆忙决定选择较差的解决方案，那么后来可能出现调试工作进行不下去的情况。

从哪里开始电源管理设计

以一种系统化和考虑周全的设计方式，可以很有把握地开始任何电源管理电路的设计。换句话说，在 PCB 组装之前，如果分析是准确的，解决了电源管理相关的设计挑战，那么就可以简化电源管理电路的设计。另外，电源管理指南给出的电路经过测试和验证，满足 FPGA、ASIC、GPU 和微处理器以及采用这些及其他数字组件的系统之要求。利用经过验证的电源管理解决方案设计电源管理电路，将确保项目从一开始就很有把握。这是让设计方案从原型阶段快速进入生产阶段的关键，因为这样可以节省电源调试时间。

一个很好的例子：给 Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供电

系统开发人员可以使用 FPGA 开发工具评估 FPGA，而无须设计一个完整的系统。图 1 和图 2 显示了 Altera 公司新的 20nm Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC (片上系统) 开发电路板。这些电路板经过 Altera 公司的测试和验证，列举了有关布局、信号完整性和电源管理的最佳设计实践。


图 1：Arria 10 GX FPGA 开发套件电路板


图 2：Arria 10 SoC 开发套件电路板

面向内核、系统和 I/O 的电源管理。面向 Arria 10 等高端 FPGA 的电源管理解决方案应该谨慎选择。

一个经过精心计划的电源管理设计可以减小 PCB 尺寸、减轻重量并降低复杂性，同时降低功耗和冷却成本。这对优化系统性能而言是必不可少的。

例如，为图 1 中 Arria 10 GX FPGA 的内核供电的 12V DC/DC 稳压器提供 0.95V/105A，该 DC/DC 稳压器有几个特点，对 SoC 的省电方法起到了补充作用：

•    Arria 10 的 SmartVID 运用 DC/DC 稳压器中集成的 6 位并联 VID 接口来控制 DC/DC 稳压器，在静态和动态情况下降低了 FPGA 功耗。

•    DC/DC 稳压器运用 DCR 值非常低的电流检测方法，通过最大限度降低电感器中的功耗，提高了效率。温度补偿在电感器温度较高时保持准确度或 DCR 值不变。

表 1 概述了图 1 所示 Arria 10 开发套件电路板的电源轨和功能。该表列出了凌力尔特公司的器件，并描述了每种器件的功能。访问 www.linear.com.cn/altera，点击 Arria，了解本文所示两种电路板的详细技术信息。

表 1：图 1 所示 Arria 10 GX FPGA 开发套件电路板的电源管理电路材料清单

  电源轨 / 功能  器件型号  器件描述
  FPGA 内核  LTC3877 + LTC3874  在 0.9V 的105A 稳压器与 Arria 10 SmartVID 无缝连接
  高速收发器  LTM4637  20A µModule®  (微型模块) 稳压器
  上电 / 断电排序、电压和电流监视、电压裕度调节以及故障管理  LTC2977  8 通道 PMBus 电源系统管理器
  PowerPath™ (电源通路)  管理  LTC4357  高压理想二极管控制器
  来自 12VIN 的 3.3V 中间总线  LTM4620  双通道 13A 或单通道 26A µModule稳压器
  输入过压保护  LTC4365  过压、欠压及反向电源保护控制器
  内务处理系统电源和电源管理  LT1965、LT3082、LTC4352、LTC3025-1、LTC2418  低噪声线性稳压器，24 位 ADC；低压理想二极管

用 LTpowerPlanner 设计工具定制电源树

如果开发套件中列举的设计不能满足自己的电源要求怎么办？在这种情况下，可以用基于 PC 的 LTpowerPlanner® 工具来实现系统电源树的个性化和优化。

从开发套件中给出的建议着手；然后容易地重新组织电源构件、改变电源额定值、计算效率和功耗、仿真每个电源构件、选择 DC/DC 稳压器器件型号并验证定制解决方案。

LTpowerPlanner 用来产生满足 Arria 10 开发套件中 FPGA 要求及系统要求的电源树 (图 3)，是用途更广泛的 LTpowerCAD® 设计工具之一，可登录以下网址免费下载：www.linear.com.cn/ltpowercad。


图 3：用于 Arria 10 GX FPGA 电路板 (图 1) 的电源树。用 LTpowerPlanner 设计，该软件是一款分析性和简便易用的初步设计工具以用来映射电源要求。

LTC2974 (用在电路板上) 增加 PMBus 功能：电源排序、监视、裕度调节和故障记录
Loss：功耗
Sequence On：排序接通
Sequence Off：排序断开
Green：绿色
Blue：蓝色
White：白色
Pink：粉色
DC to DC Regulator：DC 至 DC 稳压器
Summary Report：总结报告
Total Input Power：总输入功率
Total Output Power：总输出功率
Total Power Loss：总功耗
Total Efficiency：总效率
Total Solution Size：解决方案总体尺寸

LTpowerCAD 可帮助用户：

•    选择具体的凌力尔特 DC/DC 稳压器，以与给定电源性能规格匹配
•    选择合适的电源组件 (例如: 电感器、电阻器和电容器)
•    优化效率和功耗
•    优化稳压器环路稳定性、输出阻抗和负载瞬态响应
•    将设计方案输出到 LTspice®

结论

我们可以有把握地开始电源管理电路布局。使用 LTPowerCAD 和 LTPowerPlanner 这类工具，可以大大简化对负载点稳压器以及各部分分析结果的映射任务。为了举例说明这些优势，本文采用了用于 Altera Arria 10 FPGA 和 SoC以及其他 Altera FPGA (包括电源树和材料清单) 的开发套件设计指南。访问以下网址可获得有关信息：www.linear.com.cn/altera。如需了解赛灵思 FPGA 开发套件，请访问：www.linear.com.cn/xilinx。这些开发套件均经过Altera 、赛灵思或第三方开发商的测试和验证。