FPGA電源系統(tǒng)管理

簡介

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的起源可以追溯到20世紀80年代，從可編程邏輯器件(PLD)演變而來。自此之后，F(xiàn)PGA資源、速度和效率都得到快速改善，使FPGA成為廣泛的計算和處理應用的首選解決方案，特別是當產(chǎn)量不足以證明專用集成電路(ASIC)的開發(fā)成本合理有效時。FPGA取得快速發(fā)展，并廣泛用于大規(guī)模部署。例如，繼2013年試點項目中使用FPGA成功加快Bing搜索引擎的速度之后，Microsoft®將配備FPGA的服務器使用范圍擴展到云數(shù)據(jù)中心。

FPGA電源系統(tǒng)要求

FPGA需要幾個不同的低壓供電軌，每個供電軌都有自己的電壓和電流規(guī)格，以便為其內(nèi)核邏輯、I/O電路、輔助邏輯、收發(fā)器和存儲器供電。這些供電軌可能需要按特定的順序開啟和關閉，以避免損壞FPGA。負載點(POL)穩(wěn)壓器將電路板較高的輸入電源電壓降低為FPGA所需的多個輸入電壓。當功率轉換效率至關重要時，開關穩(wěn)壓器可用作POL穩(wěn)壓器，而線性穩(wěn)壓器(例如低壓差(LDO)穩(wěn)壓器)則用于噪聲敏感型電路，例如PLL和收發(fā)器。

典型的電路板輸入電壓為5 V、12 V、24 V和48 V，F(xiàn)PGA的輸入電壓范圍則為低于1 V至約3 V。對于高輸入電壓(12 V、24 V、48 V)，可能需要使用額外的降壓穩(wěn)壓器來生成饋送給POL穩(wěn)壓器的中間總線電壓(參見圖1)。在FPGA供電軌中，核電壓需要最低的電壓(約等于或低于1 V)和最高的精度(±3%或更優(yōu))，電流電平約為幾十安培，具體取決于FPGA資源的利用率。為了防止出現(xiàn)邏輯錯誤，不僅在直流條件下，而且在FPGA電流瞬態(tài)期間，電壓波動都需要按照FPGA供電軌公差規(guī)格要求控制在幾十毫伏之內(nèi)。電源的直流精度越差，在瞬態(tài)條件下維持可用電源電壓所需的旁路電容就越多。例如，假設采用±3%內(nèi)核電壓公差規(guī)格。使用精度為±1%的直流電源時，對應的瞬態(tài)公差為±2%。直流電源的精度較低(±2%)時，瞬態(tài)公差會更嚴格(±1%)，相比之前的示例，需要更多的旁路電容。

圖1.一種可行的FPGA電源樹設計：高壓輸入電源(例如12 V、24 V或48 V)降至中間總線電壓，

然后饋送給為FPGA供電的POL穩(wěn)壓器。

在最終進行設計變更、在另一種應用中重用設計、實施板裕量測試，以及在開發(fā)或現(xiàn)場運行期間動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)功耗時，都需要基于默認的設定點調(diào)整或微調(diào)FPGA電源電壓電平。在這種情況下，在電源反饋網(wǎng)絡中采用多個不同電阻并聯(lián)不是最快或最可行的解決方案。實現(xiàn)電壓微調(diào)的一種方法是使用數(shù)模轉換器(DAC)來驅動穩(wěn)壓器的反饋網(wǎng)絡(參見圖2)。需要為微調(diào)程序編寫軟件代碼，從模數(shù)轉換器(ADC)獲取電源電壓測量數(shù)據(jù)，以計算正確的DAC代碼，然后緩慢將DAC輸出調(diào)節(jié)至計算出的數(shù)字碼，逐步穩(wěn)定提高電源電壓，在不會產(chǎn)生毛刺或過沖的情況下達到目標電壓電平。這種微調(diào)程序需要重復實施，以確保不會因為組件隨時間或溫度變化出現(xiàn)偏移，進而導致電源偏離目標電壓。

圖2.使用DAC和ADC將POL電源輸出電壓微調(diào)至目標電壓。

監(jiān)測FPGA電源電壓、電流和故障條件，對于理解系統(tǒng)在不同場景下的健康狀況和功耗至關重要，這是因為，F(xiàn)PGA是整個電子系統(tǒng)的核心。將這種理解和微調(diào)功能結合起來，可以避免為最壞的情況設計電源，從而節(jié)省成本和功率。此外，潛在的系統(tǒng)故障可能表現(xiàn)為FPGA功耗異常，從而在電路板或系統(tǒng)發(fā)生故障之前讓主機控制器或維修人員及早發(fā)現(xiàn)問題。電壓監(jiān)測需要使用ADC，而電流監(jiān)測還需要使用電平偏移電路將高電平電流檢測電壓轉換為接地基準電壓;例如，如圖3所示，通過使用跨導放大器。

圖3.用于監(jiān)測POL電源輸出電壓、電流和功率的一種分立式電路可行方案。

雖然我們還未探討故障管理，但看了這一長串要求之后，您可能已頭暈腦脹。當POL輸出出現(xiàn)欠壓或過壓時，即在有效的電壓窗口范圍外時，會出現(xiàn)什么情況?應該只關閉故障電源?還是應該也關閉其他電源?如何消除導致系統(tǒng)板關斷的故障?

我們可以看到，F(xiàn)PGA的電源系統(tǒng)管理很快會變得非常復雜，從而分散對基本的FPGA應用的關注。注意，F(xiàn)PGA的電源樹只是數(shù)字處理電路板上整個電源系統(tǒng)的一部分。上述大部分要求也適用于其他數(shù)字器件，例如ASIC、DSP、GPU、SoC和微處理器。我們所需的是一個簡單、可擴展且靈活的電源系統(tǒng)管理解決方案。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理

ADI公司提供數(shù)字電源系統(tǒng)管理(DPSM)器件產(chǎn)品，以滿足數(shù)字處理電路板中復雜的電源系統(tǒng)要求。DPSM器件可提供或不提供集成DC/DC轉換，以替代POL穩(wěn)壓器，或者與現(xiàn)有的POL穩(wěn)壓器配合使用。電源系統(tǒng)管理器不提供DC/DC轉換，對于由開關或LDO穩(wěn)壓器構成的現(xiàn)有模擬電源系統(tǒng)，可增加數(shù)字監(jiān)測和控制功能。使用單個器件(例如LTC2980)，可對16個POL穩(wěn)壓器實施微調(diào)、裕量調(diào)節(jié)、監(jiān)測、時序控制、電源監(jiān)控、故障記錄和故障管理。可以混合和匹配使用不同通道數(shù)器件(2、4、8或16個通道)，以管理數(shù)百個供電軌。雙通道LTC2972 是該系列的最新產(chǎn)品，它提供了一種簡單的入門解決方案，可監(jiān)測和控制此類電源系統(tǒng)中兩個最重要的供電軌; 例如，F(xiàn)PGA內(nèi)核供電軌和輔助供電軌。

雙通道電源系統(tǒng)管理器

LTC2972是一款雙通道電源系統(tǒng)管理器，為FPGA、ASIC和處理器電路板增加了基于軟件的全面監(jiān)測、控制和黑盒故障記錄功能，可加快產(chǎn)品上市，提升系統(tǒng)可靠性，以及優(yōu)化電路板功耗(圖4)。使用出色的16位ADC對POL電源輸出電壓實施微調(diào)、裕量調(diào)節(jié)和監(jiān)測，總非調(diào)整誤差(TUE)為0.25%，以提升電路板的功率和長期性能。因為能夠嚴格控制POL輸出電壓，實現(xiàn)±0.25%的精度，所以在負載瞬態(tài)(在±3% FPGA供電軌規(guī)格下，精度為±2.75%)期間有很大的裕量，從而大幅減少所需的旁路電容并釋放電路板空間。電源輸出電流使用檢測電阻、電感DCR，或者電源的IMON輸出進行測量。電壓和電流測量值在內(nèi)部進行乘法運算，提供POL輸出功率讀數(shù)。

圖4.LTC2972是一款雙通道電源系統(tǒng)管理器，提供中間總線電源監(jiān)測和POL輸出功率監(jiān)測

LTC2972內(nèi)置電源時序控制、監(jiān)控和EEPROM故障記錄功能。通過將時間延遲寫入內(nèi)部寄存器或使用級聯(lián)電源良好信號來完成時序控制。當POL輸入電壓、輸出電壓和溫度以數(shù)字方式偏離可設置閾值上下限時，專用快速比較器發(fā)出故障信號。故障觸發(fā)EEPROM黑盒記錄，簡化故障分析，并提供有關未來系統(tǒng)改進的相關見解。第一個故障命令提供關于系統(tǒng)故障原因的更多信息。故障信息可靈活傳播到其他電源或其他DPSM器件。

LTC2972支持對POL轉換器的中間總線輸入實施電壓、電流、功率和電能監(jiān)控。為了管理、優(yōu)化和降低電路板功耗，進而降低服務器和數(shù)據(jù)中心的散熱和公用設施成本，必須監(jiān)測電路板功率和電能使用狀況。LTC2972通過PMBus接口(與電源管理和轉換器件通信的行業(yè)標準)方便地提供輸出電能(單位：焦耳)和運行時間，以減少繁重的輪詢和計算任務。將LTC2972與POL輸出電壓、電流和功率這些數(shù)字測量值結合使用，就可以長期監(jiān)測電源系統(tǒng)的轉換效率。

每個通道都配有可編程電源良好引腳或通用輸入/輸出(GPIO)引腳。LTC2972與其他電源系統(tǒng)管理器連接，可實現(xiàn)兩個以上供電軌的時序和故障管理。使用通過I2C/SMBus接口傳輸?shù)募嫒軵MBus命令，可對電源系統(tǒng)實施靈活編程和數(shù)據(jù)回讀。配置在支持ADI所有DPSM產(chǎn)品的LTpowerPlay®開發(fā)環(huán)境下完成(參見圖5)。采用所需的應用特定配置進行內(nèi)部EEPROM編程后，就無需為實現(xiàn)自動運行而編寫軟件代碼。

圖5.適用于DPSM產(chǎn)品的LTpowerPlay開發(fā)環(huán)境：無需為實現(xiàn)自動運行而編寫代碼。

結論

FPGA廣泛應用于各種電子系統(tǒng)，甚至取代ASIC，但其周圍具有復雜的電源系統(tǒng)。ADI公司提供多種DPSM產(chǎn)品來幫助簡化電源系統(tǒng)管理。如果您以前從未用過DPSM，您可以試試LTC2972，這是一款入門級產(chǎn)品，能夠解決數(shù)字處理電路板上復雜的電源系統(tǒng)問題。