適用于FPGA、GPU和ASIC系統(tǒng)的電源管理

摘要：本文通過列舉Altera 公司的 20nm Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC (片上系統(tǒng)) 開發(fā)電路板的電源管理解決方案，分析了對于FPGA、GPU 或 ASIC 控制的系統(tǒng)中電源管理帶來的挑戰(zhàn)，并指出通過使用 LTPowerCAD 和 LTPowerPlanner 這類工具，可以大大簡化對負(fù)載點穩(wěn)壓器以及各部分分析結(jié)果的映射任務(wù)。

引言

　　在FPGA、GPU或ASIC控制的系統(tǒng)板上，僅有為數(shù)不多的幾種電源管理相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)，但是由于需要反復(fù)調(diào)試，所以這類挑戰(zhàn)可能使系統(tǒng)的推出時間嚴(yán)重滯后。不過，如果特定設(shè)計或類似設(shè)計已經(jīng)得到電源產(chǎn)品供應(yīng)商以及FPGA、GPU和ASIC制造商的驗證，就可以防止很多電源和DC/DC調(diào)節(jié)問題。分析和解決問題的負(fù)擔(dān)常常落在系統(tǒng)設(shè)計師的肩上。配置設(shè)計方案復(fù)雜的數(shù)字部分已經(jīng)占據(jù)了這些設(shè)計師的大部分精力。因此，處理設(shè)計方案的模擬和電源部分就成了主要挑戰(zhàn)，因為電源并非如很多設(shè)計師所預(yù)期的那樣是個簡單的任務(wù)。

周全的電源管理從一開始就很有挑戰(zhàn)性

　　所有設(shè)計任務(wù)一開始都很有挑戰(zhàn)性，例如為一個包含收發(fā)器、內(nèi)存模塊、傳感器、線路連接器以及網(wǎng)狀PCB走線和多層 PCB平面的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計電源管理方案。不過，雜亂無章地使用 DC/DC穩(wěn)壓器、電容器、電感器、散熱器和其他散熱措施以及組件布局來應(yīng)對電源管理設(shè)計可能會導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計問題。如果系統(tǒng)設(shè)計師匆忙決定選擇較差的解決方案，那么后來可能出現(xiàn)調(diào)試工作進(jìn)行不下去的情況。

從哪里開始電源管理設(shè)計

　　以一種系統(tǒng)化和考慮周全的設(shè)計方式，可以很有把握地開始任何電源管理電路的設(shè)計。換句話說，在PCB組裝之前，如果分析是準(zhǔn)確的，解決了電源管理相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)，那么就可以簡化電源管理電路的設(shè)計。另外，電源管理指南給出的電路經(jīng)過測試和驗證，滿足FPGA、ASIC、GPU和微處理器以及采用這些及其他數(shù)字組件的系統(tǒng)的要求。利用經(jīng)過驗證的電源管理解決方案設(shè)計電源管理電路，將確保項目從一開始就很有把握。這是讓設(shè)計方案從原型階段快速進(jìn)入生產(chǎn)階段的關(guān)鍵，因為這樣可以節(jié)省電源調(diào)試時間。

給Arria 10 FPGA和Arria 10 SoC供電

　　系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用FPGA開發(fā)工具評估FPGA，而無須設(shè)計一個完整的系統(tǒng)。圖1和圖2是Altera公司新的20nm Arria 10 FPGA和Arria 10 SoC (片上系統(tǒng)) 開發(fā)電路板。這些電路板經(jīng)過Altera公司的測試和驗證，列舉了有關(guān)布局、信號完整性和電源管理的較好的設(shè)計實踐。

面向內(nèi)核、系統(tǒng)和I/O的電源管理

　　面向Arria 10等高端FPGA的電源管理解決方案應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇。一個經(jīng)過精心計劃的電源管理設(shè)計可以減小PCB尺寸、減輕重量并降低復(fù)雜性，同時降低功耗和冷卻成本。這對優(yōu)化系統(tǒng)性能而言是必不可少的。例如，為圖1中Arria 10 GX FPGA 的內(nèi)核供電的12V DC/DC穩(wěn)壓器提供0.95V/105A，該 DC/DC穩(wěn)壓器有幾個特點，對SoC的省電方法起到了補充作用：

　　? Arria 10的 SmartVID 運用DC/DC穩(wěn)壓器中集成的6位并聯(lián)VID接口來控制DC/DC穩(wěn)壓器，在靜態(tài)和動態(tài)情況下降低了 FPGA 功耗;

　　? DC/DC穩(wěn)壓器運用DCR值非常低的電流檢測方法，通過最大限度降低電感器中的功耗，提高了效率。溫度補償在電感器溫度較高時保持準(zhǔn)確度或DCR值不變;

　　表1概述了圖1所示Arria 10開發(fā)套件電路板的電源軌和功能。該表列出了凌力爾特公司的器件，并描述了每種器件的功能。

用LTpowerPlanner設(shè)計工具定制電源樹

　　如果開發(fā)套件中列舉的設(shè)計不能滿足自己的電源要求，還可以用基于PC的LTpowerPlanner?工具來實現(xiàn)系統(tǒng)電源樹的個性化和優(yōu)化。

　　從開發(fā)套件中給出的建議著手，然后重新組織電源構(gòu)件、改變電源額定值、計算效率和功耗、仿真每個電源構(gòu)件、選擇 DC/DC 穩(wěn)壓器器件型號并驗證定制解決方案。

　　LTpowerPlanner是用來產(chǎn)生滿足Arria 10開發(fā)套件中 FPGA 要求及系統(tǒng)要求的電源樹 (圖3)，是用途更廣泛的 LTpowerCAD?設(shè)計工具之一。該軟件是一款分析性和簡便易用的初步設(shè)計工具，用來映射電源要求。

LTpowerCAD功能

　　? 選擇具體的凌力爾特DC/DC穩(wěn)壓器，以與給定電源性能規(guī)格匹配;

　　? 選擇合適的電源組件 (例如: 電感器、電阻器和電容器);

　　? 優(yōu)化效率和功耗;

　　? 優(yōu)化穩(wěn)壓器環(huán)路穩(wěn)定性、輸出阻抗和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng);

　　? 將設(shè)計方案輸出到 LTspice? 。

結(jié)論

　　使用 LTPowerCAD 和 LTPowerPlanner 這類工具，可以大大簡化對負(fù)載點穩(wěn)壓器以及各部分分析結(jié)果的映射任務(wù)。為了舉例說明這些優(yōu)勢，本文采用了用于Altera Arria 10 FPGA和SoC以及其他Altera FPGA(包括電源樹和材料清單) 的開發(fā)套件設(shè)計指南。這些開發(fā)套件均經(jīng)過Altera 、賽靈思或第三方開發(fā)商的測試和驗證。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第68頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。