如何为 FPGA 开发紧凑高效的电源解决方案
现场可编程门阵列 （fpga） 越来越多地用于支持视频和图像处理、医疗系统、汽车和航空航天应用以及人工智能 （ai） 和机器学习 （ml） 中的高性能计算。为 fpga 供电是一项复杂而关键的功能，涉及大量和各种电源轨，有些电源轨需要高达 50 安培 （a） 的快速功率。
为了 fpga 正常工作，电源轨需要导通和关序，需要单调上升和下降，并且需要高电压精度和快速瞬态响应。此外，提供各种电压的直流-直流 （dc/dc） 稳压器需要很小，以便它们可以放置在 fpga 附近，以最大限度地减少配电线路中的寄生效应，并且它们必须高效以最大限度地减少 fpga 附近的温度升高。在某些系统中，dc/dc 稳压器必须足够薄，以便安装在印刷电路板（印刷电路板）的背面。
虽然可以设计具有必要集成数字电源管理的高效率和高性能 dc/dc 稳压器，但以非常紧凑、扁平的格式实现是一项艰巨的挑战。它可能导致大量的设计迭代，分散fpga系统的设计，延迟上市时间并降低系统性能。
fpga 电源系统设计人员可以转向经过全面测试和验证的集成 dc/dc 稳压器，这些稳压器将所有组件都包含在紧凑且热效率高的焊盘栅格阵列 （lga） 和球栅阵列 （bga） 封装中，适合直接与 fpga 相邻的集成，以最大限度地提高电源系统（和 fpga）性能。
本文回顾了fpga的供电需求，重点关注电压精度、瞬态响应和电压排序，并通过工作示例详细介绍了与热管理相关的挑战。然后，本文介绍了适合adi公司fpga供电的集成dc/dc稳压器，包括可安装在印刷电路板背面的薄型稳压器，以及用于加速设计过程的评估板和集成建议。
fpga 电源要求fpga 中的内核逻辑、输入/输出 （i/o） 电路、辅助电路和收发器等功能需要不同的电源轨。这些通常使用分布式电源架构供电，每个电源轨具有一个或多个 dc/dc 稳压器，也称为负载点 （pol） 稳压器。虽然这些稳压器大多使用开关模式功率转换来实现最高效率，但噪声敏感电路（如收发器）可能需要使用低压差线性（ldo）稳压器。
在小型系统中，大容量配电电压通常为 5 或 12 伏直流 （v 直流 ），可以直接为 pol 供电。在较大的系统中，配电电压可以是 24 或 48 v 直流 .当使用更高的配电电压时，使用降压稳压器将配电电压降至5或12 v直流在为 pol 供电的中压总线上。pol 提供各个 fpga 电源轨所需的低电压（图 1）。每个电源轨都有与精度、瞬态响应、时序和其他参数相关的特定要求。
图 1：为 fpga 供电需要多个 pol 稳压器。（图片来源：adi公司）
核心pol通常是fpga中最关键的电源。核心电源可低于 1 v直流具有数十安培的电流，并且通常具有±3%或更高的精度要求，以防止逻辑错误。例如，对于内核电压容差规格为±3%的fpga，精度为±1.5%的稳压器可提供另外±1.5%的瞬变。如果pol具有良好的瞬态响应，则将提供稳定的性能。然而，精度为±2%的稳压器可能难以实现所需的性能。只有±1%可用于瞬态响应，需要增加旁路电容，并可能导致瞬态期间的逻辑误差。
排序的起伏除了工作时苛刻的功率要求外，fpga 还需要各种电源轨以特定顺序以精确的时序打开和关闭。现代 fpga 通常将许多电源轨组织成几组，可以一起打开和关闭。例如，英特尔的altera arria 10fpga将电源域组织为三组。这些组必须按从组 1（有 6 个电压轨）到组 2（也是 6 个电压轨）再到组 3（3 个电源轨）的顺序上电，然后按相反的顺序断电，以防止损坏 fpga（图 2）。
图 2：fpga 要求按特定顺序上电和断电轨。（图片来源：adi公司）
保持凉爽由于如此多的稳压器放置在fpga附近，因此热管理是一个问题。adi公司将印刷电路板放在一起，以演示使用多个稳压器时的一些热管理选项（图3）。热性能受调压阀的相对位置、气流的方向和量以及环境温度的影响。
*
图 3：并联稳压器的热管理演示板。(图片来源：adi公司)
对于第一个比较，在演示板上的七个位置测量温度;位置 1 到 4 显示模块的表面温度，位置 5 到 7 显示印刷电路板上的表面温度(图 4)。在这两种热像仪中，与仅在两侧散热的中央模块相比，外部模块都更冷，这得益于使用三面印刷电路板区域提供的散热器增加。气流也很重要。在左侧热像仪中，有 200 线性英尺/分钟 (lfm) 的气流来自印刷电路板底部，而右侧图像中没有气流。带气流的模块和印刷电路板的温度约为 20°c。
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图 4：增加 200 lfm 的气流可显著降低模块和印刷电路板温度(左)。(图片来源：adi公司)
气流方向和环境温度也很重要。从右到左使用 400 lfm 气流将热量从一个模块推到另一个模块，结果最冷的模块在右边，中间的模块最热，左边的模块在两者之间(图 5，左)。为了尝试补偿较高的环境温度，在工作温度为75°c的模块上放置了散热器。 在这种极端条件下，即使有额外的散热器，模块的温度也会明显更高(图 5，右)。
图 5：50°c(左)和 75°c(右)环境温度的影响，400 lfm 气流从右到左穿过印刷电路板。(图片来源：adi公司)
用于背面安装的 lga 和 bga 封装
ltm4601 系列的 12 a 连续(峰值 14 a)降压型 dc/dc 稳压器为设计人员提供了 15 × 15 × 2.82 mm (mm) lga 或 15 × 15 × 3.42 mm bga 封装的选项。它们的输入电压范围为 4.5 至 20 v直流 可提供 0.6 至 5 v 的输出直流 具有输出电压跟踪和裕量调节功能。它们具有 ±1.5% 的调节率和 35 mv 的峰值偏差，动态负载变化范围为 0% 至 50% 和满负载的 50% 至 0%，建立时间为 25 微秒 (μs)。
这些稳压器可带或不带板载差分远端检测放大器，可用于精确调节输出电压，而与负载电流无关。例如， ltm4601iv#pbf 在 lga 中，并且 ltm4601iy#pbf 采用 bga 格式，均具有板载差分远端检测放大器。不需要板载放大器的应用可以使用 ltm4601iv-1#pbf 在 lga 或 ltm4601iy-1#pbf 在 bga 中。这些模块是完整的 dc/dc 稳压器，只需输入和输出电容器即可满足特定的设计要求(图 6)。这些模块的外形小巧，可以安装在印刷电路板的背面。
图 6：μmodule 稳压器是采用耐热增强型封装的完整电源转换器。（图片来源：adi公司）
adi公司提供dc1041a-a演示电路，用于加速ltm4601稳压器的评估。其输入电压范围为 4.5 至 20 v 直流 ，以及一个可选择跳线和可编程的输出电压，以巧合地或按比例跟踪另一个模块的输出。
超薄稳压器adi公司的16×11.9 mm lga封装的1.82 mm高度 ltm4686 使这些双通道 10 a 或单通道 20 a 稳压器能够放置在足够靠近 fpga 的位置，以便器件可以共享一个公共散热器，从而简化热管理。此外，这些稳压器安装在印刷电路板的背面。使用 pmbus 协议的集成数字电源管理支持远程配置和实时监控输出电流、电压、温度和其他参数。这些稳压器支持两个输入电压范围;这 ltm4686iv#pbf 工作电压范围为 4.5 至 17 v直流，以及 ltm4686iv-1#pbf 从 2.375 到 17 v直流.ltm4686模块支持0.5至3.6 v输出直流 最大输出误差±0.5%。这些稳压器可在 1 v 电压下提供 18 a 电流直流 从 5 v直流 在 +85°c 环境温度下输入，气流为 400 lfm。
设计师可以使用 dc2722a 演示电路与ltpowerplay软件相结合，以探索ltm4686模块的功能。为了仅评估稳压器，可以使用默认设置打开dc2722a，而无需pmbus通信。通过添加软件和pmbus加密狗，设计人员可以探索完整的数字电源管理功能，包括动态重新配置器件和查看遥测信息。
电路板布局注意事项虽然并联μmodule稳压器为fpga供电时几乎没有电气考虑因素，但与间距、过孔、接地层和气流相关的参数非常重要。幸运的是，lga 封装的设计简化了电源和接地层的布局，并为印刷电路板提供了牢固的热连接。放置四个并联μmodule稳压器只需重复lga封装即可（图7）。除了异常具有挑战性的环境外，热增强型封装以及电源层通常为模块提供足够的冷却。
图 7：μmodule 稳压器的 lga 占位面积简化了多个模块的并联，并支持增强的热性能。（图片来源：adi公司）
结论为了支持高性能计算应用，fpga 需要精确高效的电源管理以及快速响应时间。为fpga中的众多电压轨供电是一项复杂的挑战，可以使用adi公司的集成μmodule dc/dc稳压器来应对。这些稳压器还提供紧凑且易于集成的封装所需的电气和热性能。
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虽然可以设计具有必要集成数字电源管理的高效率和高性能 dc/dc 稳压器，但以非常紧凑、扁平的格式实现是一项艰巨的挑战。它可能导致大量的设计迭代，分散fpga系统的设计，延迟上市时间并降低系统性能。
fpga 电源系统设计人员可以转向经过全面测试和验证的集成 dc/dc 稳压器，这些稳压器将所有组件都包含在紧凑且热效率高的焊盘栅格阵列 （lga） 和球栅阵列 （bga） 封装中，适合直接与 fpga 相邻的集成，以最大限度地提高电源系统（和 fpga）性能。
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fpga 电源要求fpga 中的内核逻辑、输入/输出 （i/o） 电路、辅助电路和收发器等功能需要不同的电源轨。这些通常使用分布式电源架构供电，每个电源轨具有一个或多个 dc/dc 稳压器，也称为负载点 （pol） 稳压器。虽然这些稳压器大多使用开关模式功率转换来实现最高效率，但噪声敏感电路（如收发器）可能需要使用低压差线性（ldo）稳压器。
在小型系统中，大容量配电电压通常为 5 或 12 伏直流 （v 直流 ），可以直接为 pol 供电。在较大的系统中，配电电压可以是 24 或 48 v 直流 .当使用更高的配电电压时，使用降压稳压器将配电电压降至5或12 v直流在为 pol 供电的中压总线上。pol 提供各个 fpga 电源轨所需的低电压（图 1）。每个电源轨都有与精度、瞬态响应、时序和其他参数相关的特定要求。
图 1：为 fpga 供电需要多个 pol 稳压器。（图片来源：adi公司）
核心pol通常是fpga中最关键的电源。核心电源可低于 1 v直流具有数十安培的电流，并且通常具有±3%或更高的精度要求，以防止逻辑错误。例如，对于内核电压容差规格为±3%的fpga，精度为±1.5%的稳压器可提供另外±1.5%的瞬变。如果pol具有良好的瞬态响应，则将提供稳定的性能。然而，精度为±2%的稳压器可能难以实现所需的性能。只有±1%可用于瞬态响应，需要增加旁路电容，并可能导致瞬态期间的逻辑误差。
排序的起伏除了工作时苛刻的功率要求外，fpga 还需要各种电源轨以特定顺序以精确的时序打开和关闭。现代 fpga 通常将许多电源轨组织成几组，可以一起打开和关闭。例如，英特尔的altera arria 10fpga将电源域组织为三组。这些组必须按从组 1（有 6 个电压轨）到组 2（也是 6 个电压轨）再到组 3（3 个电源轨）的顺序上电，然后按相反的顺序断电，以防止损坏 fpga（图 2）。
图 2：fpga 要求按特定顺序上电和断电轨。（图片来源：adi公司）
保持凉爽由于如此多的稳压器放置在fpga附近，因此热管理是一个问题。adi公司将印刷电路板放在一起，以演示使用多个稳压器时的一些热管理选项（图3）。热性能受调压阀的相对位置、气流的方向和量以及环境温度的影响。
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图 3：并联稳压器的热管理演示板。(图片来源：adi公司)
对于第一个比较，在演示板上的七个位置测量温度;位置 1 到 4 显示模块的表面温度，位置 5 到 7 显示印刷电路板上的表面温度(图 4)。在这两种热像仪中，与仅在两侧散热的中央模块相比，外部模块都更冷，这得益于使用三面印刷电路板区域提供的散热器增加。气流也很重要。在左侧热像仪中，有 200 线性英尺/分钟 (lfm) 的气流来自印刷电路板底部，而右侧图像中没有气流。带气流的模块和印刷电路板的温度约为 20°c。
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图 4：增加 200 lfm 的气流可显著降低模块和印刷电路板温度(左)。(图片来源：adi公司)
气流方向和环境温度也很重要。从右到左使用 400 lfm 气流将热量从一个模块推到另一个模块，结果最冷的模块在右边，中间的模块最热，左边的模块在两者之间(图 5，左)。为了尝试补偿较高的环境温度，在工作温度为75°c的模块上放置了散热器。 在这种极端条件下，即使有额外的散热器，模块的温度也会明显更高(图 5，右)。
图 5：50°c(左)和 75°c(右)环境温度的影响，400 lfm 气流从右到左穿过印刷电路板。(图片来源：adi公司)
用于背面安装的 lga 和 bga 封装
ltm4601 系列的 12 a 连续(峰值 14 a)降压型 dc/dc 稳压器为设计人员提供了 15 × 15 × 2.82 mm (mm) lga 或 15 × 15 × 3.42 mm bga 封装的选项。它们的输入电压范围为 4.5 至 20 v直流 可提供 0.6 至 5 v 的输出直流 具有输出电压跟踪和裕量调节功能。它们具有 ±1.5% 的调节率和 35 mv 的峰值偏差，动态负载变化范围为 0% 至 50% 和满负载的 50% 至 0%，建立时间为 25 微秒 (μs)。
这些稳压器可带或不带板载差分远端检测放大器，可用于精确调节输出电压，而与负载电流无关。例如， ltm4601iv#pbf 在 lga 中，并且 ltm4601iy#pbf 采用 bga 格式，均具有板载差分远端检测放大器。不需要板载放大器的应用可以使用 ltm4601iv-1#pbf 在 lga 或 ltm4601iy-1#pbf 在 bga 中。这些模块是完整的 dc/dc 稳压器，只需输入和输出电容器即可满足特定的设计要求(图 6)。这些模块的外形小巧，可以安装在印刷电路板的背面。
图 6：μmodule 稳压器是采用耐热增强型封装的完整电源转换器。（图片来源：adi公司）
adi公司提供dc1041a-a演示电路，用于加速ltm4601稳压器的评估。其输入电压范围为 4.5 至 20 v 直流 ，以及一个可选择跳线和可编程的输出电压，以巧合地或按比例跟踪另一个模块的输出。
超薄稳压器adi公司的16×11.9 mm lga封装的1.82 mm高度 ltm4686 使这些双通道 10 a 或单通道 20 a 稳压器能够放置在足够靠近 fpga 的位置，以便器件可以共享一个公共散热器，从而简化热管理。此外，这些稳压器安装在印刷电路板的背面。使用 pmbus 协议的集成数字电源管理支持远程配置和实时监控输出电流、电压、温度和其他参数。这些稳压器支持两个输入电压范围;这 ltm4686iv#pbf 工作电压范围为 4.5 至 17 v直流，以及 ltm4686iv-1#pbf 从 2.375 到 17 v直流.ltm4686模块支持0.5至3.6 v输出直流 最大输出误差±0.5%。这些稳压器可在 1 v 电压下提供 18 a 电流直流 从 5 v直流 在 +85°c 环境温度下输入，气流为 400 lfm。
设计师可以使用 dc2722a 演示电路与ltpowerplay软件相结合，以探索ltm4686模块的功能。为了仅评估稳压器，可以使用默认设置打开dc2722a，而无需pmbus通信。通过添加软件和pmbus加密狗，设计人员可以探索完整的数字电源管理功能，包括动态重新配置器件和查看遥测信息。
电路板布局注意事项虽然并联μmodule稳压器为fpga供电时几乎没有电气考虑因素，但与间距、过孔、接地层和气流相关的参数非常重要。幸运的是，lga 封装的设计简化了电源和接地层的布局，并为印刷电路板提供了牢固的热连接。放置四个并联μmodule稳压器只需重复lga封装即可（图7）。除了异常具有挑战性的环境外，热增强型封装以及电源层通常为模块提供足够的冷却。
图 7：μmodule 稳压器的 lga 占位面积简化了多个模块的并联，并支持增强的热性能。（图片来源：adi公司）
结论为了支持高性能计算应用，fpga 需要精确高效的电源管理以及快速响应时间。为fpga中的众多电压轨供电是一项复杂的挑战，可以使用adi公司的集成μmodule dc/dc稳压器来应对。这些稳压器还提供紧凑且易于集成的封装所需的电气和热性能。
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