为FPGA供电的挑战和应对

“很多电子工程师可能还没有迫切感受到电源对FPGA、处理器、ASIC等设计的制约性，但作为FPGA厂商，我们很清楚电源将越来越成为设计的瓶颈，”日前在谈到电源发展挑战时，ALTERA中国区Enpirion产品高级业务经理张伟超表示：“在为FPGA等器件设计电源时，工程师通常会遇到许多设计两难：市场需求驱使设备生产商在其产品中增加越来越多的特性和功能，希望提供更大的带宽，进一步减小外形封装，并且提高能效。最新的28 nm和20 nm FPGA、处理器或其他SoC都需采用更小尺寸，更高精度的电源管理器件来支持。市面上多数的电源产品都在为更好的解决这些问题而努力，但能权衡多方面性能表现的产品不多。”为FPGA供电的挑战集成度以及功率密度越来越高是电源发展的必然趋势，随着系统所集成功能的不断上升，对电源供电也提出更高要求、同时系统中更多模块、接口占据了本就有限的PCB板，如何缩小电源面积，为PCB板节约空间是所有电源模块、电源SoC设计的关键考量因素之一。“在高集成度要求下，设计师需要在电源抗干扰性、转换效率、电路尺寸等方面做出权衡设计。希望能有更好的外围器件，如输入输出电容，来消除纹波、提供稳定的电流电压。希望更高的开关转换频率，来降低外围器件尺寸。当然频率增高会影响开关损耗，使产品散热问题严重，从而影响转换效率。同时，很多设备都涉及高数据传输、RF电路（如4G网络）等，这些电路通常对噪声更为敏感，需要更安静的电源设计。有工程师不得不为此放弃使用开关电源而采用低效的线性电源来降低噪声干扰，但同时也带来系统低效和散热等问题。同样，在为数字负载（FPGA核电压、FPGA接口电压、CPU电压）供电情况下，这些负载电压变化会比较大，需要电源在短时间内有很好的瞬态表现。目前在工业、医疗设备、通信等领域对电源的瞬态效应有很高的要求。这些都是工程师在设计电源时会遇到的实际问题。”张伟超介绍道，“ALTERA此番通过收购引入Enpirion电源，就是看中其能够在多方面解决这些设计困扰。”Enpirion三项核心技术据张伟超介绍，Enpirion的电源SoC，能将大部分外围器件集成到芯片内部，允许器件在更高的频率工作，并降低开关损耗。其主要得益于三个核心技术：基于高频开关IC技术，Enpirion可以允许器件工作在更高的频率。通常器件工作频率在500kHz到1MHz之间，Enpirion最高可以允许器件工作在5MHz，高工作频率可以允许外围器件小，从而易于被集成；基于电磁材料工程的核心技术，通常电源模块也会集成电感，但这些电感是市面上通用的产品。而Enpirion对电感的材料和工艺结构都具有专利技术，可以定制化自己的电感，再集成到SoC内部可实现在更高的工作频率下，获得更低的开关损耗，从而维持很好的运作效率，也能实现很好的EMI表现；第三项核心技术是其电源封装和架构技术，在将电源控制器、MOSFET、电感、补偿网络等器件集成到芯片内部时，器件间会相关干扰或影响，如何使器件被集成后仍能保持很好的可靠性及转换效率，实现低纹波、低噪声等性能，都在封装架构中得到进一步的实现。如何解决设计难题基于上述核心技术，Enpirion可实现高功率密度和小外形封装，可极大的减小负载点稳压所需要的PCB面积和高度，与其他分立开关稳压器和模块相比功率密度可提升20%到50%.通过高频开关技术，允许器件工作在更高频率，在提高集成度的同时不影响效率，同时配合定制的电感和MOSFET，使环路尺寸小，并能降低EMI.同时，Enpirion所采用的EDMOS不同于业界标准的MOSFET，重点降低了输入输出电容的参数，从而进一步减小开关损耗，来提高效率。对于开关电源的噪音问题，Enpirion可以做到与线性电源接近的开关噪声，可应用于为噪声敏感的电路供电，同时确保转换效率。和分立器件构成的电源相比，Enpirion使用极少的元器件数量，从而也具有更高的可靠性。Enpirion的PowerSoC作为完整的电源系统，进行了专门的仿真测试，特征测试，验证和制造测试，可实现45，000年MTBF可靠性。适合应用于工业、通信、医疗等对运行可靠性要求高的领域。据悉，Enpirion系列中即将上市的新品30A全数字PowerSoC，在VIN-12 V / VOUT=1.2 V、常温的工作环境下可以实现90%以上的转换效率。可连续输出30A （@ 1.5V），支持并联可实现高达180A的电流输出。适合应用在通信、工业、医疗等中高端设备中为FPGA、处理器或ASIC等核处理器供电。该产品还是一款全数字的Power SoC，其芯片内部的控制环路（Control Loop）也是全数字的，可实现实时自适应的控制环路，提高控制的精准度，也实现更快速的瞬态响应。其输出稳压精度小于0.5%精度（0.6V≤VOUT≤1.5V）。随着FPGA的核电压越来越低，目前核电压值在2V、1V或更低，如果电源控制精度不够，很难为其提供准确的电压，而全数字芯片能为FPGA在内的负载提供更精确的电压控制。同时该芯片可提供降低系统功耗的SmartVID和PMBus远程监测功能，这两种功能在通信、工业等中高端设备中应用广泛，可实现更智能的电源控制。该产品目前已供样，预计在今年年底可量产。集成了电感，具有补偿功能的PowerSoC所需的外围设计简单，可以节省设计时间，加速产品上市。同时，Enpirion将为ALTERA旗下FPGA产品，包括新发布的MAX 10 FPGA配备电源参考设计，从而使客户在采购FPGA的同时可以拥有合适的电源参考设计，达到“一站式”解决方案。后续开发只需较少的设计步骤，相对于分立开关稳压器显著缩短了设计时间。同时，这些电源解决方案是经过全面验证的PCB布线和设计，可帮助客户设计一次成功。解决方案所带的设计软件也可方便工程师在后期设计时简单实现想要的功能。