緩解超大規(guī)模和超大規(guī)模的FPGA 應(yīng)用中的過(guò)熱

精度和可靠性是電機(jī)控制和高精度醫(yī)療設(shè)備等工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)嵌入式應(yīng)用的首要任務(wù)。在這些類(lèi)型的系統(tǒng)中，任何故障都可能對(duì)系統(tǒng)造成致命影響，并可能導(dǎo)致公司損失數(shù)百萬(wàn)美元。最常見(jiàn)的故障點(diǎn)是系統(tǒng)上的電源設(shè)備，最常見(jiàn)的故障原因是過(guò)熱、不受監(jiān)控的電源軌。

避免這些故障的傳統(tǒng)方法是使用遠(yuǎn)程負(fù)載點(diǎn)解決方案，該解決方案可能體積龐大并占用大量電路板空間。此外，在每個(gè)系統(tǒng)電源軌上實(shí)施電源監(jiān)視器會(huì)增加系統(tǒng)成本。功率 IC 中的熱點(diǎn)通常位于電流流經(jīng)的功率 FET 附近。一種更簡(jiǎn)單且更具成本效益的方法是將功率 FET 從主功率 IC 中分離出來(lái)，這將產(chǎn)生更好的散熱效果，并使用電源良好信號(hào)實(shí)施主動(dòng)監(jiān)控來(lái)監(jiān)控電源軌。

通過(guò)使用像 TPS650860 這樣的集成 PMIC，我們可以實(shí)現(xiàn)相同水平的可靠性，而無(wú)需支付高昂的價(jià)格來(lái)購(gòu)買(mǎi)多個(gè) IC。該設(shè)備的架構(gòu)使我們能夠避免過(guò)熱問(wèn)題，同時(shí)監(jiān)控每個(gè)電源軌以確保系統(tǒng)安全。在每個(gè)電源軌上實(shí)施的電源良好信號(hào)可讓我們的系統(tǒng)免于欠壓鎖定和過(guò)壓觸發(fā)。我們可以對(duì)每個(gè)電源軌進(jìn)行編程，以在非常嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控。

TPS650860設(shè)備是一種單芯片電源管理IC，設(shè)計(jì)用于多核處理器、FPGA和其他片上系統(tǒng)（SOC）。TPS650860提供5.6 V至21 V的輸入范圍，可實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。該設(shè)備非常適合使用2S、3S或4S鋰離子電池組的NVDC和非NVDC電源結(jié)構(gòu)。有關(guān)5-V輸入電源，請(qǐng)參閱應(yīng)用部分。D-CAP2? 而DCS控制的高頻調(diào)壓器采用小電感器和電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)小的解決方案尺寸。D-CAP2和DCS控制拓?fù)渚哂谐錾乃矐B(tài)響應(yīng)性能，這對(duì)于具有快速負(fù)載切換的處理器核心和系統(tǒng)內(nèi)存軌來(lái)說(shuō)是非常好的。I2C接口允許通過(guò)嵌入式控制器（EC）或SoC進(jìn)行簡(jiǎn)單控制。PMIC采用一個(gè)8-mm×8-mm的單列VQFN封裝，帶有散熱墊，具有良好的散熱性能，便于電路板布線。

▲特征：
● 寬V-IN范圍從5.6 V到21 V
● 帶DCAP2的三個(gè)可變輸出電壓同步降壓控制器? 拓?fù)鋵W(xué)
■使用具有可選電流限制的外部FET的可縮放輸出電流
■I2C DVS控制在10 mV步進(jìn)中從0.41 V到1.67 V，或在25 mV步進(jìn)中從1 V到3.575 V
● 采用DCS控制拓?fù)涞娜_(tái)變輸出電壓同步降壓變換器
■電壓輸入范圍為4.5 V至5.5 V
■高達(dá)3 A的輸出電流
■I2C DVS在10 mV步進(jìn)中控制從0.41 V到1.67 V，或在25 mV步進(jìn)中控制從0.425 V到3.575 V
● 三個(gè)輸出電壓可調(diào)的LDO穩(wěn)壓器
■LDOA1:l2C—輸出電流高達(dá)200 mA時(shí)，可選擇1.35 V至3.3 V的輸出電壓
■LDOA2和LDO A3:l2C—可選擇的輸出電壓范圍為0.7 V至1.5 V，輸出電流可達(dá)600 mA
● 用于DDR內(nèi)存終止的VTT LDO
● 帶回轉(zhuǎn)率控制的三個(gè)負(fù)載開(kāi)關(guān)
■輸出電流高達(dá)300 mA，壓降小于標(biāo)稱(chēng)輸入電壓的1.5%
■輸入電壓為18 V時(shí)，R-DSON<96 mΩ
● 5伏固定輸出電壓LDO（LD05）
■開(kāi)關(guān)電源和LDOA1的門(mén)驅(qū)動(dòng)器電源
■自動(dòng)切換至外部5伏降壓電路，提高效率
● 通過(guò)工廠OTP編程實(shí)現(xiàn)內(nèi)置的靈活性和可配置性
■六個(gè)GPI引腳可配置為啟用（CTL1至CTL6）或任何選定軌道的睡眠模式入口（CTL3和CTL6）
■四個(gè)GPO引腳可配置為任何選定軌道的電源
■漏極開(kāi)路中斷輸出引腳
● l2C接口支持：
■標(biāo)準(zhǔn)模式（100 kHz）
■快速模式（400 kHz）
■快速模式Plus（1 MHz）

圖 1 顯示了 PMIC 與 FPGA 之間的連接。集成到器件中的三個(gè)降壓控制器需要外部功率 FET，它將任何熱點(diǎn)移出 PMIC。當(dāng) FPGA 全速運(yùn)行時(shí)，移動(dòng)熱點(diǎn)可以在惡劣環(huán)境中更好地散熱，并確保 PMIC 的可靠性。

圖 1：連接圖

除了將熱點(diǎn)從 PMIC 中轉(zhuǎn)換出來(lái)外，控制器架構(gòu)還允許我們根據(jù) FPGA 所需的功率來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)大??；我們可以根據(jù)每個(gè)電源軌所需的電流選擇外部 FET。我們可以以這樣的方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即每條軌道可以提供高達(dá) 10 秒的振幅，精度高達(dá) +/- 3%。這反過(guò)來(lái)又減小了系統(tǒng)尺寸和成本。

憑借所有這些靈活性，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的 OTP 旋轉(zhuǎn)為多個(gè) FPGA 供電，并優(yōu)化解決方案以緩解熱問(wèn)題。