如何为 FPGA 开发紧凑高效的电源解决方案

现场可编程门阵列 （FPGA） 越来越多地用于支持视频和图像处理、医疗系统、汽车和航空航天应用以及人工智能 （AI） 和机器学习 （ML） 中的高性能计算。为 FPGA 供电是一项复杂而关键的功能，涉及大量和各种电源轨，有些电源轨需要高达 50 安培 （A） 的快速功率。

为了 FPGA 正常工作，电源轨需要导通和关序，需要单调上升和下降，并且需要高电压精度和快速瞬态响应。此外，提供各种电压的直流-直流 （DC/DC） 稳压器需要很小，以便它们可以放置在 FPGA 附近，以最大限度地减少配电线路中的寄生效应，并且它们必须高效以最大限度地减少 FPGA 附近的温度升高。在某些系统中，DC/DC 稳压器必须足够薄，以便安装在印刷电路板（印刷电路板）的背面。

虽然可以设计具有必要集成数字电源管理的高效率和高性能 DC/DC 稳压器，但以非常紧凑、扁平的格式实现是一项艰巨的挑战。它可能导致大量的设计迭代，分散FPGA系统的设计，延迟上市时间并降低系统性能。

FPGA 电源系统设计人员可以转向经过全面测试和验证的集成 DC/DC 稳压器，这些稳压器将所有组件都包含在紧凑且热效率高的焊盘栅格阵列 （LGA） 和球栅阵列 （BGA） 封装中，适合直接与 FPGA 相邻的集成，以最大限度地提高电源系统（和 FPGA）性能。

本文回顾了FPGA的供电需求，重点关注电压精度、瞬态响应和电压排序，并通过工作示例详细介绍了与热管理相关的挑战。然后，本文介绍了适合ADI公司FPGA供电的集成DC/DC稳压器，包括可安装在印刷电路板背面的薄型稳压器，以及用于加速设计过程的评估板和集成建议。

FPGA 电源要求

FPGA 中的内核逻辑、输入/输出 （I/O） 电路、辅助电路和收发器等功能需要不同的电源轨。这些通常使用分布式电源架构供电，每个电源轨具有一个或多个 DC/DC 稳压器，也称为负载点 （POL） 稳压器。虽然这些稳压器大多使用开关模式功率转换来实现最高效率，但噪声敏感电路（如收发器）可能需要使用低压差线性（LDO）稳压器。

在小型系统中，大容量配电电压通常为 5 或 12 伏直流 （V 直流 ），可以直接为 POL 供电。在较大的系统中，配电电压可以是 24 或 48 V 直流 .当使用更高的配电电压时，使用降压稳压器将配电电压降至5或12 V直流在为 POL 供电的中压总线上。POL 提供各个 FPGA 电源轨所需的低电压（图 1）。每个电源轨都有与精度、瞬态响应、时序和其他参数相关的特定要求。

图 1：为 FPGA 供电需要多个 POL 稳压器。（图片来源：ADI公司）

核心POL通常是FPGA中最关键的电源。核心电源可低于 1 V直流具有数十安培的电流，并且通常具有±3%或更高的精度要求，以防止逻辑错误。例如，对于内核电压容差规格为±3%的FPGA，精度为±1.5%的稳压器可提供另外±1.5%的瞬变。如果POL具有良好的瞬态响应，则将提供稳定的性能。然而，精度为±2%的稳压器可能难以实现所需的性能。只有±1%可用于瞬态响应，需要增加旁路电容，并可能导致瞬态期间的逻辑误差。

排序的起伏

除了工作时苛刻的功率要求外，FPGA 还需要各种电源轨以特定顺序以精确的时序打开和关闭。现代 FPGA 通常将许多电源轨组织成几组，可以一起打开和关闭。例如，英特尔的Altera Arria 10FPGA将电源域组织为三组。这些组必须按从组 1（有 6 个电压轨）到组 2（也是 6 个电压轨）再到组 3（3 个电源轨）的顺序上电，然后按相反的顺序断电，以防止损坏 FPGA（图 2）。

图 2：FPGA 要求按特定顺序上电和断电轨。（图片来源：ADI公司）

保持凉爽

由于如此多的稳压器放置在FPGA附近，因此热管理是一个问题。ADI公司将印刷电路板放在一起，以演示使用多个稳压器时的一些热管理选项（图3）。热性能受调压阀的相对位置、气流的方向和量以及环境温度的影响。

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图 3：并联稳压器的热管理演示板。(图片来源：ADI公司)

对于第一个比较，在演示板上的七个位置测量温度;位置 1 到 4 显示模块的表面温度，位置 5 到 7 显示印刷电路板上的表面温度(图 4)。在这两种热像仪中，与仅在两侧散热的中央模块相比，外部模块都更冷，这得益于使用三面印刷电路板区域提供的散热器增加。气流也很重要。在左侧热像仪中，有 200 线性英尺/分钟 (LFM) 的气流来自印刷电路板底部，而右侧图像中没有气流。带气流的模块和印刷电路板的温度约为 20°C。

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图 4：增加 200 LFM 的气流可显著降低模块和印刷电路板温度(左)。(图片来源：ADI公司)

气流方向和环境温度也很重要。从右到左使用 400 LFM 气流将热量从一个模块推到另一个模块，结果最冷的模块在右边，中间的模块最热，左边的模块在两者之间(图 5，左)。为了尝试补偿较高的环境温度，在工作温度为75°C的模块上放置了散热器。 在这种极端条件下，即使有额外的散热器，模块的温度也会明显更高(图 5，右)。

图 5：50°C(左)和 75°C(右)环境温度的影响，400 LFM 气流从右到左穿过印刷电路板。(图片来源：ADI公司)

用于背面安装的 LGA 和 BGA 封装

LTM4601 系列的 12 A 连续(峰值 14 A)降压型 DC/DC 稳压器为设计人员提供了 15 × 15 × 2.82 mm (mm) LGA 或 15 × 15 × 3.42 mm BGA 封装的选项。它们的输入电压范围为 4.5 至 20 V直流 可提供 0.6 至 5 V 的输出直流 具有输出电压跟踪和裕量调节功能。它们具有 ±1.5% 的调节率和 35 mV 的峰值偏差，动态负载变化范围为 0% 至 50% 和满负载的 50% 至 0%，建立时间为 25 微秒 (μs)。

这些稳压器可带或不带板载差分远端检测放大器，可用于精确调节输出电压，而与负载电流无关。例如， LTM4601IV#PBF 在 LGA 中，并且 LTM4601IY#PBF 采用 BGA 格式，均具有板载差分远端检测放大器。不需要板载放大器的应用可以使用 LTM4601IV-1#PBF 在 LGA 或 LTM4601IY-1#PBF 在 BGA 中。这些模块是完整的 DC/DC 稳压器，只需输入和输出电容器即可满足特定的设计要求(图 6)。这些模块的外形小巧，可以安装在印刷电路板的背面。

图 6：μModule 稳压器是采用耐热增强型封装的完整电源转换器。（图片来源：ADI公司）

ADI公司提供DC1041A-A演示电路，用于加速LTM4601稳压器的评估。其输入电压范围为 4.5 至 20 V 直流 ，以及一个可选择跳线和可编程的输出电压，以巧合地或按比例跟踪另一个模块的输出。

超薄稳压器

ADI公司的16×11.9 mm LGA封装的1.82 mm高度 LTM4686 使这些双通道 10 A 或单通道 20 A 稳压器能够放置在足够靠近 FPGA 的位置，以便器件可以共享一个公共散热器，从而简化热管理。此外，这些稳压器安装在印刷电路板的背面。使用 PMBus 协议的集成数字电源管理支持远程配置和实时监控输出电流、电压、温度和其他参数。这些稳压器支持两个输入电压范围;这 LTM4686IV#PBF 工作电压范围为 4.5 至 17 V直流，以及 LTM4686IV-1#PBF 从 2.375 到 17 V直流.LTM4686模块支持0.5至3.6 V输出直流 最大输出误差±0.5%。这些稳压器可在 1 V 电压下提供 18 A 电流直流 从 5 V直流 在 +85°C 环境温度下输入，气流为 400 LFM。

设计师可以使用 DC2722A 演示电路与LTpowerPlay软件相结合，以探索LTM4686模块的功能。为了仅评估稳压器，可以使用默认设置打开DC2722A，而无需PMBus通信。通过添加软件和PMBus加密狗，设计人员可以探索完整的数字电源管理功能，包括动态重新配置器件和查看遥测信息。

电路板布局注意事项

虽然并联μModule稳压器为FPGA供电时几乎没有电气考虑因素，但与间距、过孔、接地层和气流相关的参数非常重要。幸运的是，LGA 封装的设计简化了电源和接地层的布局，并为印刷电路板提供了牢固的热连接。放置四个并联μModule稳压器只需重复LGA封装即可（图7）。除了异常具有挑战性的环境外，热增强型封装以及电源层通常为模块提供足够的冷却。

图 7：μModule 稳压器的 LGA 占位面积简化了多个模块的并联，并支持增强的热性能。（图片来源：ADI公司）

结论

为了支持高性能计算应用，FPGA 需要精确高效的电源管理以及快速响应时间。为FPGA中的众多电压轨供电是一项复杂的挑战，可以使用ADI公司的集成μModule DC/DC稳压器来应对。这些稳压器还提供紧凑且易于集成的封装所需的电气和热性能。

审核编辑 黄昊宇