如何為 FPGA 開發緊湊而高效的電源解決方案

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

現場可編程門陣列 (FPGA) 正越來越多地用于支持視頻和圖像處理、醫療系統、汽車和航空航天應用以及人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 中的高性能計算。為 FPGA 供電是一種復雜而關鍵的功能，會涉及大量不同類型的電源軌，而且有的需要高達 50 A 的電流。

為使 FPGA 正常運行，電源軌需要按照一定的順序開啟和關斷，單調上升和單調下降，并且需要高精確度電壓和快速瞬態響應能力。此外，用于提供各種電壓的 DC/DC 穩壓器需要體積小，以便放置在 FPGA 附近，從而減少配電線路中的寄生效應。此外，這些電源還必須高效，以減少 FPGA 附近的溫升。在某些系統中，DC/DC 穩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。

雖然有可能設計出具有必要的集成數字電源管理功能的高能效、高性能 DC/DC 穩壓器，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。這可能會導致無數次設計迭代并干擾 FPGA 系統的設計，最終造成上市時間推遲，系統性能降低。

為此，FPGA 電源系統設計人員可以采用經過充分測試、驗證的集成 DC/DC 穩壓器。這類穩壓器在其具有高熱效率的緊湊型接點柵格陣列 (LGA) 和球柵陣列 (BGA) 封裝內集成了所有元器件，使其適合直接集成到 FPGA 旁邊，最大限度地提高電源系統（和 FPGA）的性能。

本文回顧了 FPGA 的電源輸電需求，重點強調電壓精度、瞬態響應和電壓排序，并通過運行實例詳細介紹各種與熱管理有關的挑戰。然后，介紹來自 [Analog Devices] 的 [集成 DC/DC 穩壓器]以及可以加速設計過程的評估板和集成建議。這種穩壓器適用于向 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

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

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

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

內核 POL 通常是 FPGA 中最關鍵的電源。內核電源可低于 1 V 直流 ，電流為數十安培，而且通常有 ±3% 或更高的精確度要求，以防出現邏輯錯誤。例如，對于具有 ±3% 內核電壓容限規范的 FPGA，精確度為 ±1.5% 的穩壓器可實現另一個 ±1.5% 瞬態。如果 POL 具有良好的瞬態響應能力，將實現可靠的性能。然而，一個精度為 ±2% 的穩壓器要達到所需的性能則相當困難。只有 ±1% 可用于瞬態響應，需要添加旁路電容并可能導致瞬態期間出現邏輯錯誤。

定序的波動

除了在工作時有苛刻的電源要求外，FPGA 還需要各種電源軌以特定的順序和精確的時間開啟和關斷?，F代 FPGA 通常采用許多個電源軌，且按照可以一起開啟和關斷的分組形式進行管理。例如，[Intel] 的 [Altera Arria 10]FPGA 的功率域被分成三組來進行管理。這些分組必須按照從第一組（有六個電壓軌）到第二組（也是六個電壓軌），再到第三組（三個電壓軌）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）

保持少發熱

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

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

對于首次比較，演示板上的七個位置用于測量溫度；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 板區域實現更多散熱，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）

氣流的方向和環境溫度也很重要。使用 400 LFM 氣流從右向左將熱量從一個模塊推向另一個模塊時，其結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）。為了補償較高的環境溫度，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，模塊溫度也會明顯升高（圖 5，右）。

圖 5：50°C（左）和 75°C（右）環境溫度與 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 12 A（14 A 峰值）降壓型 DC/DC 穩壓器為設計人員提供了 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。該系列的特點是 ±1.5% 調節和 35 mV 峰值偏差，適用于從 0% 到 50% 和從 50% 到 0% 的滿負荷動態變化，建立時間為 25 μs。

這種穩壓器帶和不帶板載差分遠程放大器，可用于精確調節輸出電壓，而不受負載電流影響。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程檢測放大器。不需要板載放大器的應用可以采用 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 穩壓器，只需輸入和輸出電容器來滿足具體的設計要求（圖 6）。這些模塊外形扁平，能夠安裝在 PC 板背面。

圖 6：μModule 穩壓器是采用熱增強封裝的完整電源轉換器。（圖片來源：Analog Devices）

Analog Devices 提供 [DC1041A-A]演示電路，可加快對 LTM4601 穩壓器的評估。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，也可通過設定使其恰好或按比例跟蹤另一個模塊的輸出而上升或下降。

超薄型穩壓器

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，這些穩壓器適合安裝在 PC 板背面。使用 PMBus 協議的集成數字電源管理功能可支持遠程配置和實時監控輸出電流、電壓、溫度以及其他參數。這些穩壓器可支持兩個輸入電壓范圍；[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%。在環境溫度為 +85°C、400 LFM 氣流以及 5 V~DC~ 輸入下，這些穩壓器可提供 1 V~DC~ 18 A 輸出。

設計人員可組合使用 [DC2722A]演示電路與 LTpowerPlay 軟件，來探索 LTM4686 模塊的功能。如果只是為了穩壓器評估，則可以采用默認設置開啟 DC2722A，而不需要 PMBus 通信。添加該軟件和 PMBus 加密狗后，設計人員可以探索全面的數字電源管理能力，包括即時重新配置零件和查看遠程信息。

電路板布局注意事項

雖然通過并聯 μModule 穩壓器為 FPGA 供電時很少考慮電氣因素，但與間距、通孔、接地平面和氣流有關的參數都很重要。幸運的是，LGA 封裝設計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。放置四個并聯的 μModule 穩壓器很容易，即重復 LGA 的占地面積（圖 7）。除了異常惡劣的環境外，熱增強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 穩壓器的 LGA 封裝簡化了多個模塊的并聯，并能支持增強熱性能。（圖片來源：Analog Devices）

結語

為了支持高性能計算應用，FPGA 需要精確、高效的電源管理以及快速響應時間。為 FPGA 中的眾多電壓軌供電是一項復雜的挑戰，可以使用 Analog Devices 的集成 μModule DC/DC 穩壓器來應對。這類穩壓器還在緊湊和易于集成的封裝中實現了所需的電氣和熱性能。