為FPGA供電的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)

　　“很多電子工程師可能還沒有迫切感受到電源對(duì)FPGA、處理器、ASIC等設(shè)計(jì)的制約性，但作為FPGA廠商，我們很清楚電源將越來越成為設(shè)計(jì)的瓶頸，”日前在談到電源發(fā)展挑戰(zhàn)時(shí)，ALTERA中國(guó)區(qū)Enpirion產(chǎn)品高級(jí)業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超表示：“在為FPGA等器件設(shè)計(jì)電源時(shí)，工程師通常會(huì)遇到許多設(shè)計(jì)兩難：市場(chǎng)需求驅(qū)使設(shè)備生產(chǎn)商在其產(chǎn)品中增加越來越多的特性和功能，希望提供更大的帶寬，進(jìn)一步減小外形封裝，并且提高能效。最新的28 nm和20 nm FPGA、處理器或其他SoC都需采用更小尺寸，更高精度的電源管理器件來支持。市面上多數(shù)的電源產(chǎn)品都在為更好的解決這些問題而努力，但能權(quán)衡多方面性能表現(xiàn)的產(chǎn)品不多。”

　　為FPGA供電的挑戰(zhàn)

　　集成度以及功率密度越來越高是電源發(fā)展的必然趨勢(shì)，隨著系統(tǒng)所集成功能的不斷上升，對(duì)電源供電也提出更高要求、同時(shí)系統(tǒng)中更多模塊、接口占據(jù)了本就有限的PCB板，如何縮小電源面積，為PCB板節(jié)約空間是所有電源模塊、電源SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量因素之一。“在高集成度要求下，設(shè)計(jì)師需要在電源抗干擾性、轉(zhuǎn)換效率、電路尺寸等方面做出權(quán)衡設(shè)計(jì)。希望能有更好的外圍器件，如輸入輸出電容，來消除紋波、提供穩(wěn)定的電流電壓。希望更高的開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率，來降低外圍器件尺寸。當(dāng)然頻率增高會(huì)影響開關(guān)損耗，使產(chǎn)品散熱問題嚴(yán)重，從而影響轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，很多設(shè)備都涉及高數(shù)據(jù)傳輸、RF電路(如4G網(wǎng)絡(luò))等，這些電路通常對(duì)噪聲更為敏感，需要更安靜的電源設(shè)計(jì)。有工程師不得不為此放棄使用開關(guān)電源而采用低效的線性電源來降低噪聲干擾，但同時(shí)也帶來系統(tǒng)低效和散熱等問題。同樣，在為數(shù)字負(fù)載(FPGA核電壓、FPGA接口電壓、CPU電壓)供電情況下，這些負(fù)載電壓變化會(huì)比較大，需要電源在短時(shí)間內(nèi)有很好的瞬態(tài)表現(xiàn)。目前在工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、通信等領(lǐng)域?qū)﹄娫吹乃矐B(tài)效應(yīng)有很高的要求。這些都是工程師在設(shè)計(jì)電源時(shí)會(huì)遇到的實(shí)際問題。”張偉超介紹道，“ALTERA此番通過收購(gòu)引入Enpirion電源，就是看中其能夠在多方面解決這些設(shè)計(jì)困擾。”

　　Enpirion三項(xiàng)核心技術(shù)

　　據(jù)張偉超介紹，Enpirion的電源SoC，能將大部分外圍器件集成到芯片內(nèi)部，允許器件在更高的頻率工作，并降低開關(guān)損耗。其主要得益于三個(gè)核心技術(shù)：基于高頻開關(guān)IC技術(shù)，Enpirion可以允許器件工作在更高的頻率。通常器件工作頻率在500kHz到1MHz之間，Enpirion最高可以允許器件工作在5MHz，高工作頻率可以允許外圍器件小，從而易于被集成;基于電磁材料工程的核心技術(shù)，通常電源模塊也會(huì)集成電感，但這些電感是市面上通用的產(chǎn)品。而Enpirion對(duì)電感的材料和工藝結(jié)構(gòu)都具有專利技術(shù)，可以定制化自己的電感，再集成到SoC內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)在更高的工作頻率下，獲得更低的開關(guān)損耗，從而維持很好的運(yùn)作效率，也能實(shí)現(xiàn)很好的EMI表現(xiàn);第三項(xiàng)核心技術(shù)是其電源封裝和架構(gòu)技術(shù)，在將電源控制器、MOSFET、電感、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等器件集成到芯片內(nèi)部時(shí)，器件間會(huì)相關(guān)干擾或影響，如何使器件被集成后仍能保持很好的可靠性及轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)低紋波、低噪聲等性能，都在封裝架構(gòu)中得到進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)。

　　如何解決設(shè)計(jì)難題

　　基于上述核心技術(shù)，Enpirion可實(shí)現(xiàn)高功率密度和小外形封裝，可極大的減小負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓所需要的PCB面積和高度，與其他分立開關(guān)穩(wěn)壓器和模塊相比功率密度可提升20%到50%.通過高頻開關(guān)技術(shù)，允許器件工作在更高頻率，在提高集成度的同時(shí)不影響效率，同時(shí)配合定制的電感和MOSFET，使環(huán)路尺寸小，并能降低EMI.同時(shí)，Enpirion所采用的EDMOS不同于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET，重點(diǎn)降低了輸入輸出電容的參數(shù)，從而進(jìn)一步減小開關(guān)損耗，來提高效率。對(duì)于開關(guān)電源的噪音問題，Enpirion可以做到與線性電源接近的開關(guān)噪聲，可應(yīng)用于為噪聲敏感的電路供電，同時(shí)確保轉(zhuǎn)換效率。和分立器件構(gòu)成的電源相比，Enpirion使用極少的元器件數(shù)量，從而也具有更高的可靠性。Enpirion的PowerSoC作為完整的電源系統(tǒng)，進(jìn)行了專門的仿真測(cè)試，特征測(cè)試，驗(yàn)證和制造測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)45，000年MTBF可靠性。適合應(yīng)用于工業(yè)、通信、醫(yī)療等對(duì)運(yùn)行可靠性要求高的領(lǐng)域。

　　據(jù)悉，Enpirion系列中即將上市的新品30A全數(shù)字PowerSoC，在VIN-12 V / VOUT=1.2 V、常溫的工作環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)90%以上的轉(zhuǎn)換效率?？蛇B續(xù)輸出30A (@ 1.5V)，支持并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)180A的電流輸出。適合應(yīng)用在通信、工業(yè)、醫(yī)療等中高端設(shè)備中為FPGA、處理器或ASIC等核處理器供電。該產(chǎn)品還是一款全數(shù)字的Power SoC，其芯片內(nèi)部的控制環(huán)路(Control Loop)也是全數(shù)字的，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自適應(yīng)的控制環(huán)路，提高控制的精準(zhǔn)度，也實(shí)現(xiàn)更快速的瞬態(tài)響應(yīng)。其輸出穩(wěn)壓精度小于0.5%精度(0.6V≤VOUT≤1.5V)。隨著FPGA的核電壓越來越低，目前核電壓值在2V、1V或更低，如果電源控制精度不夠，很難為其提供準(zhǔn)確的電壓，而全數(shù)字芯片能為FPGA在內(nèi)的負(fù)載提供更精確的電壓控制。同時(shí)該芯片可提供降低系統(tǒng)功耗的SmartVID和PMBus遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，這兩種功能在通信、工業(yè)等中高端設(shè)備中應(yīng)用廣泛，可實(shí)現(xiàn)更智能的電源控制。該產(chǎn)品目前已供樣，預(yù)計(jì)在今年年底可量產(chǎn)。

　　集成了電感，具有補(bǔ)償功能的PowerSoC所需的外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，加速產(chǎn)品上市。同時(shí)，Enpirion將為ALTERA旗下FPGA產(chǎn)品，包括新發(fā)布的MAX 10 FPGA配備電源參考設(shè)計(jì)，從而使客戶在采購(gòu)FPGA的同時(shí)可以擁有合適的電源參考設(shè)計(jì)，達(dá)到“一站式”解決方案。后續(xù)開發(fā)只需較少的設(shè)計(jì)步驟，相對(duì)于分立開關(guān)穩(wěn)壓器顯著縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。同時(shí)，這些電源解決方案是經(jīng)過全面驗(yàn)證的PCB布線和設(shè)計(jì)，可幫助客戶設(shè)計(jì)一次成功。解決方案所帶的設(shè)計(jì)軟件也可方便工程師在后期設(shè)計(jì)時(shí)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)想要的功能。