Enpirion電源解決方案：高端嵌入式系統(tǒng)理想之選

　　在技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用推動(dòng)的雙重助力下，F(xiàn)PGA和SoC不斷向“全能王”邁進(jìn)，其特性比以前更豐富、功能也越來越齊全，推動(dòng)下一代嵌入式系統(tǒng)不斷發(fā)展。與FPGA和SoC的復(fù)雜度對(duì)應(yīng)的是，需要更高性能的電源與之匹配，以滿足嚴(yán)格的散熱、電源軌、可靠性等要求。而采用傳統(tǒng)模擬的解決方案難以適應(yīng)這一迫切的需求。在FPGA領(lǐng)域深耕的Altera，早已前瞻性地意識(shí)到這一挑戰(zhàn)，通過收購(gòu)整合和創(chuàng)新的布局，開發(fā)出Enpirion系列數(shù)字電源解決方案，全面應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)。

　　高端嵌入式系統(tǒng)的電源管理挑戰(zhàn)

　　FPGA和SoC集成度走高，不僅增加了大量IP模塊，加入了大量的混合信號(hào)功能，諸如百萬級(jí)的邏輯單元、幾十Gbps高速收發(fā)器通路、硬核浮點(diǎn)DSP、集成ARM內(nèi)核等，其所達(dá)到的系統(tǒng)級(jí)性能也可謂前所未有。如何給更高復(fù)雜性、更多不確定性的FPGA和SoC供電，同時(shí)又能滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的需求，已成為一個(gè)極具現(xiàn)實(shí)性和挑戰(zhàn)性的問題。

　　這些挑戰(zhàn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　1.滿足嚴(yán)格的FPGA電源軌要求——因所需要的電源軌越來越多，F(xiàn)PGA電壓要求越來越復(fù)

　　雜。以前，內(nèi)核和I/O單元需要兩個(gè)電源軌，還有可能采用第三個(gè)用于其他功能，而現(xiàn)在的高端FPGA會(huì)需要數(shù)十個(gè)外部驅(qū)動(dòng)的電源軌。而且，還需要為內(nèi)核電源軌VCC提供嚴(yán)格的±30 mV電源軌靜態(tài)精度，為高速收發(fā)器電源軌提供更嚴(yán)格的精度。

　　2.滿足系統(tǒng)功耗和散熱預(yù)算限制——盡管高端FPGA和SoC系統(tǒng)的架構(gòu)和集成度越來越高，但對(duì)系統(tǒng)功耗和散熱的要求不降反升，性能與功耗比這個(gè)瓶頸需要?jiǎng)?chuàng)新的電源管理解決方案來突破。

　　3.構(gòu)建魯棒而又可靠的系統(tǒng)——高端嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)市場(chǎng)包括數(shù)據(jù)中心、高清視頻處理、醫(yī)療、工業(yè)等應(yīng)用，這些系統(tǒng)對(duì)可靠性和安全性的要求更高，要求系統(tǒng)在面對(duì)異常和故障情況下能夠保持正常的運(yùn)作，保證人員的安全，所以可靠的電源管理系統(tǒng)至關(guān)重要。

　　4.符合預(yù)算要求按時(shí)完成其項(xiàng)目——系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本與設(shè)計(jì)周期一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師最關(guān)注也是最渴望解決的難題。如何通過簡(jiǎn)化電源的設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)的成本并縮短設(shè)計(jì)周期?

　　這些復(fù)雜的性能要求需要建立特殊的、優(yōu)化的定制處理資源，現(xiàn)有的電源解決方案，包括模擬轉(zhuǎn)換器和分立的數(shù)字轉(zhuǎn)換器都無法理想地滿足高端嵌入式系統(tǒng)的需求。理想的電源管理解決方案除了要滿足嚴(yán)格的FPGA電源軌要求，還需要在功耗和散熱預(yù)算限制、可靠性、成本以及設(shè)計(jì)周期等要求之間找到最佳結(jié)合點(diǎn)，從而使解決方案的大小、功耗和性能達(dá)到一個(gè)完美的平衡。

　　Enpirion系列電源解決方案應(yīng)運(yùn)而生

　　普適計(jì)算、智能空間等概念前所未有地?cái)U(kuò)展了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。根據(jù)Transparency Market Research的一份最新市場(chǎng)報(bào)告，2014年嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)容量為1529.4億美元，預(yù)計(jì)將以6.4%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2021年市場(chǎng)容量將達(dá)2331.3億美元。

　　嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)不斷“刷新”表現(xiàn)，隨著系統(tǒng)芯片不斷地推陳出新， 而與之配套的電源管理芯片也正成為競(jìng)爭(zhēng)勝出的關(guān)鍵之一所在。但從市場(chǎng)來看，解決這些難題非“量身定制”電源IC不可。Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國(guó)區(qū)高級(jí)業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超提到，一般大型電源公司的電源IC會(huì)有很多不同的應(yīng)用領(lǐng)域，例如消費(fèi)類移動(dòng)市場(chǎng)，車載市場(chǎng)，通訊市場(chǎng)等。他們不太會(huì)也不可能把全部的精力投入到FPGA/ASIC/SOC供電領(lǐng)域， 恰恰這個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄娫葱阅芤髽O高且推廣極具挑戰(zhàn)而且，只有深刻地了解FPGA/SOC的核電源和高速接口供電特性，供應(yīng)商才能設(shè)計(jì)出最適合其應(yīng)用要求的電源IC，為整體的系統(tǒng)性能提升提供最佳的服務(wù)。

　　Altera的選擇可謂“對(duì)癥下藥”，即通過收購(gòu)電源企業(yè)來量身定制電源IC，在去年5月份即收購(gòu)了Enpirion電源公司。通過近年來的不斷整合和創(chuàng)新，開發(fā)出Enpirion系列電源解決方案全面應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)。

　　在四大關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新

　　Enpirion電源解決方案可說是“身懷絕技”，針對(duì)高端嵌入式系統(tǒng)的苛刻需求，在高頻集成電路設(shè)計(jì)、磁體工程、電源封裝和結(jié)構(gòu)以及DC-DC系統(tǒng)工程4個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新，為系統(tǒng)帶來顯著優(yōu)勢(shì)。

　　高頻IC技術(shù)——Enpirion器件采用LDMOS技術(shù)制造，IP非常適合支持高頻工作。使用特殊的MOSFET設(shè)計(jì)方法，Altera不但提高了開關(guān)頻率而且還降低了開關(guān)噪聲。Enpirion器件的高頻設(shè)計(jì)結(jié)合獨(dú)特的封裝技術(shù)，使功率密度提高了20%至50%，高度比最相近的模塊競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品低20%。

　　前沿的磁體技術(shù)——Altera與最好的磁體供應(yīng)商合作，開發(fā)前沿的磁體技術(shù)，這不但能夠使電感集成到非常緊湊的開關(guān)轉(zhuǎn)換器解決方案中，而且還能夠優(yōu)化電感，降低損耗，以最小的電流環(huán)實(shí)現(xiàn)非常低的EMI。

　　獨(dú)特的電源封裝和結(jié)構(gòu)——Enpirion PowerSoC器件采用先進(jìn)的電源封裝和結(jié)構(gòu)，以及特殊的封裝技術(shù)和電感制造流程，比其他分立和模組電源解決方案引腳布局縮小20%到50%，大大節(jié)省PCB空間。此外，Enpirion PowerSoC作為完整的電源系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，每一片PowerSoC都經(jīng)過了驗(yàn)證，能夠與集成組件一起工作，是一種即插即用的電源解決方案。實(shí)現(xiàn)了45,000多年平均無故障時(shí)間(MTBF)，支持實(shí)現(xiàn)非常可靠的低風(fēng)險(xiǎn)電源設(shè)計(jì)。

　　圖：Altera電源管理解決方案在四大關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新

　　先進(jìn)的DC/DC系統(tǒng)工程——采用多種經(jīng)過驗(yàn)證、高度集成的PowerSoC解決方案，Altera避免了很多復(fù)雜的電源設(shè)計(jì)面臨的風(fēng)險(xiǎn)難題——從控制器補(bǔ)償?shù)酵獠吭骷x擇，功率級(jí)分析、時(shí)域仿真、驗(yàn)證、產(chǎn)品測(cè)試，直至穩(wěn)定性等，Enpirion PowerSoC只需要很少的支持就能夠優(yōu)化實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的設(shè)計(jì)。

　　還有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于，Enpirion的電源模塊基于先進(jìn)的系統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)，能夠提供業(yè)界領(lǐng)先的熱降額性能。在這里，我們覺得有需要澄清一下目前客戶工程師經(jīng)常遇到的一個(gè)困惑。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員常常發(fā)現(xiàn)電源產(chǎn)品說明書首頁(yè)上的輸出電流額定值與熱降額曲線圖所示的實(shí)際輸出電流不一致，這種狀況導(dǎo)致產(chǎn)品比較工作相當(dāng)困難。市場(chǎng)上某些產(chǎn)品說明書首頁(yè)上特別標(biāo)注的項(xiàng)目也未提及測(cè)量降額曲線的測(cè)試條件。這就是為什么在進(jìn)行散熱性能的比較前，設(shè)計(jì)工程師必須查看產(chǎn)品說明書的內(nèi)頁(yè)。在許多情況下，電源模塊實(shí)際能輸出的電流通常低于廠商在產(chǎn)品說明書首頁(yè)中載明的數(shù)值。這種情況主要是由于測(cè)試設(shè)置和運(yùn)行條件的差異造成的。

　　為了弄清楚模塊的散熱性能，設(shè)計(jì)工程師必須先了解是采用熱成像攝像頭，還是熱電偶來進(jìn)行溫度測(cè)量。其次，還必須弄清楚是在印刷電路板的單點(diǎn)測(cè)量溫度，還是出于對(duì)更高準(zhǔn)確性的考慮，直接在諸如 FET、控制 IC 以及磁性部件等多組件處測(cè)量溫度。再者，就是弄清楚散熱測(cè)試設(shè)置模式。 部分廠商采用未受限設(shè)置方案; 而其他一些廠商采用受限設(shè)置方案——從而生成變化更為陡峭的 SOA 曲線。最后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須弄明白當(dāng)評(píng)價(jià)散熱性能時(shí)，廠商是否允許內(nèi)部組件的溫度接近或達(dá)到最大溫度限額。而使用模塊方案的好處，是我們建議客戶從熱阻的角度出發(fā)去評(píng)估產(chǎn)品的熱降額性能。這一點(diǎn)我們有專門的應(yīng)用白皮書可以給用戶提供一個(gè)更準(zhǔn)確和客觀的視角。

　　超越下一代嵌入式系統(tǒng)需求

　　Enpirion電源IC系列發(fā)揮了先進(jìn)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了顛覆性的創(chuàng)新，可以說超越了下一代嵌入式系統(tǒng)的需求。Enpirion器件不僅可滿足Altera第10代FPGA嚴(yán)格的要求，并可對(duì)系統(tǒng)其他器件供電，如ASIC、處理器以及FPGA周圍的DDR存儲(chǔ)器等。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員可以馬上采用具有 Enpirion 解決方案而且經(jīng)過驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)和套件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如Cyclone V SoC 開發(fā)套件和 SoC 嵌入式套裝，MAX 10 FPGA 開發(fā)套件，以及Arria 10 FPGA 開發(fā)套件和 FPGA 信號(hào)完整性套件，加快設(shè)計(jì)和產(chǎn)品上市。

　　除著力開拓通信、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)、新能源等應(yīng)用外，Altera的Enpirion電源方案也在全力開拓一些新興應(yīng)用市場(chǎng)。由于“出色”的表現(xiàn)，Enpirion系列產(chǎn)品在相關(guān)客戶中應(yīng)用得到了積極評(píng)價(jià)，采用Altera電源產(chǎn)品的客戶在不斷增多。一個(gè)明顯的實(shí)例就是以華為、中興和烽火為代表的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先通信企業(yè)已經(jīng)選擇了Altera的電源IC用來優(yōu)化他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提升可靠性。

　　作為通信市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者之一，華為需要開發(fā)新一代的RRU來保持它在無線市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，但在用定制化的ASIC實(shí)現(xiàn)4.5G 系統(tǒng)的優(yōu)化特性之前，必須盡快解決諸多挑戰(zhàn)。Altera的FPGA+電源解決方案可幫助他們從根本上解決這些挑戰(zhàn)。除了對(duì)系統(tǒng)功耗的優(yōu)化之外，電源SoC也能幫助減少他們的板級(jí)所需空間，同時(shí)幫助提升在輕負(fù)載和重負(fù)載下的效率，最重要的是可滿足他們世界級(jí)的產(chǎn)品和焊接可靠性要求。

　　張偉超表示：“Altera作為FPGA市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，通過提供更為先進(jìn)的電源管理芯片，更好地幫助客戶提升FPGA的性能，并通過最大程度的降低系統(tǒng)功耗和成本來簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步釋放先進(jìn)的FPGA技術(shù)的潛能?！薄凹蟪伞钡腅npirion電源方案將為Altera注入新的發(fā)展活力。展望未來，Altera的創(chuàng)新永不止步：將不斷加強(qiáng)在電源方面的技術(shù)創(chuàng)新，包括更高的集成度、更高的產(chǎn)品效率， 更強(qiáng)健的焊接可靠性，數(shù)字環(huán)路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)并監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，最大程度地簡(jiǎn)化FPGA系統(tǒng)開發(fā)等，甚至?xí)㈦娫茨K集成進(jìn)系統(tǒng)芯片內(nèi)。在這條創(chuàng)新之路上，我們完全有理由期待更多創(chuàng)新與突破性能的電源模塊芯片等著Altera去展現(xiàn)。