FPGA的60W~72W高密度電源的電氣性能、熱性能及布局設(shè)計(jì)之深入分析

　　FPGA 或其支持 IC 在裝入某個(gè)完整系統(tǒng)時(shí)所表現(xiàn)的性能與其在試驗(yàn)臺(tái)上單獨(dú)測(cè)試時(shí)所呈現(xiàn)的性能指標(biāo)會(huì)有所不同。諸如焊料的種類、溫度、PCB 布局、走線阻抗和裝配工藝等因素會(huì)影響組件的性能。例如：倘若 FPGA 的內(nèi)核電壓被調(diào)節(jié)在一個(gè)非期望的數(shù)值而這導(dǎo)致運(yùn)行速度的減慢，那么系統(tǒng)的計(jì)算能力將會(huì)下降。在某些場(chǎng)合中，質(zhì)量控制人員不得不將某個(gè)偏離其預(yù)期性能的系統(tǒng)判為不合格。

　　為此，當(dāng)工程師在合格性查驗(yàn)或組裝期間評(píng)估性能時(shí)，他們必需具備以小幅增量來(lái)提升或降低輸出電壓的能力。此項(xiàng)功能被稱為“裕度調(diào)節(jié)”。在前面的例子中，可以提高內(nèi)核電壓以使 FPGA 的工作頻率達(dá)到其期望的水平。這種裕度調(diào)節(jié)功能還能有助于系統(tǒng)制造商在生產(chǎn)過程中提升總體良率。

　　在最近與一位系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的討論中，我們了解到他的電源要求是：調(diào)節(jié) 1.5V 電壓，并向一個(gè)由 4 個(gè) FPGA 組成的負(fù)載輸送高達(dá) 40A 的電流。這意味著必須在狹小的面積和盡可能低的高度之內(nèi) (以提供流暢的氣流進(jìn)行冷卻) 輸送高達(dá) 60W 的功率。電源必須是可以表面貼裝的，并以足夠高的效率運(yùn)作，旨在最大限度地減少熱耗散。另外，他還要求解決方案盡可能地簡(jiǎn)單，這樣他就可以把時(shí)間全部投入到更加復(fù)雜的工作中去。除了精準(zhǔn)的電性能以外，這種解決方案還必須快速去除 DC-DC 轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生的熱量，這樣在它附近的電路和 IC 就不會(huì)發(fā)生過熱。此類解決方案需要一種創(chuàng)新型設(shè)計(jì)以滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：

　　1. 非常扁平以提供有效的氣流并防止對(duì)周圍的 IC 產(chǎn)生“熱遮蔽”;

　　2. 高效率以最大限度地減少熱耗散;

　　3. 均流能力以均勻地散播熱量，從而消除熱點(diǎn)并盡量降低或免除增設(shè)散熱器的需要;

　　4. 內(nèi)置于表面貼裝型封裝之中的完整 DC/DC 電路，包括 DC/DC 控制器、MOSFET、電感器、電容器和補(bǔ)償電路，以實(shí)現(xiàn)靈活而簡(jiǎn)易的解決方案。

　　DC/DC 設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新

　　創(chuàng)新是一種模塊化 (但采用表面貼裝) 的方法，這種方法運(yùn)用了高效 DC/DC 轉(zhuǎn)換、精準(zhǔn)均流和低熱阻抗封裝，以在只需采取極少冷卻處理的情況下提供輸出功率。由于外形扁平并在 4 個(gè)器件之間實(shí)現(xiàn)了功率均分，因此采用該解決方案的系統(tǒng)僅憑較少的風(fēng)扇或較低的扇速即可滿足散熱要求，而所需的散熱器極少或根本不需要布設(shè)散熱器。以上特點(diǎn)有助于實(shí)現(xiàn)一個(gè)成本較低的系統(tǒng)，其去除熱量所消耗的功率較少。圖 1 示出了用于此類電路的測(cè)試板。這款設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié) 1.5A 輸出并提供 40A (最高可達(dá) 48A) 的負(fù)載電流。每個(gè)“黑色方塊”都是一個(gè)完整的 DC/DC 電路，并內(nèi)置于一個(gè) 15mm x 15mm x 2.8mm 表面貼裝型封裝之中。由于只需使用少量的輸入和輸出電容器，因此采用這些 DC/DC µModule系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就和照片上顯示的一樣簡(jiǎn)單。