什么是FPGA，ASIC，如何設(shè)計(jì)一個(gè)適用于它們的供電系統(tǒng)

　　什么是FPGA？

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

　　FPGA的工作原理：

　　FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表（16&TImes;1RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無(wú)限次的編程。

　　什么是ASIC？

　　目前，在集成電路界ASIC被認(rèn)為是一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路。是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶的需求，ASIC在批量生產(chǎn)時(shí)與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。

　　ASIC工作原理：

　　ASIC的設(shè)計(jì)方法和手段經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展演變，從最初的全手工設(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)在先進(jìn)的可以全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。這也是近幾十年來(lái)科學(xué)技術(shù)，尤其是電子信息技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。從設(shè)計(jì)手段演變的過(guò)程劃分，設(shè)計(jì)手段經(jīng)歷了手工設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ICCAD）、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化ESDA以及用戶現(xiàn)場(chǎng)可編程器階段。集成電路制作在只有幾百微米厚的原形硅片上，每個(gè)硅片可以容納數(shù)百甚至成千上萬(wàn)個(gè)管芯。集成電路中的晶體管和連線視其復(fù)雜程度可以由許多層構(gòu)成，目前最復(fù)雜的工藝大約由6層位于硅片內(nèi)部的擴(kuò)散層或離子注入層，以及6層位于硅片表面的連線層組成。就設(shè)計(jì)方法而言，設(shè)計(jì)集成電路的方法可以分為全定制、半定制和可編程IC設(shè)計(jì)三種方式。

　　怎樣給他們適配供電系統(tǒng)（包含GPU）：

　　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(jì)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(shí)間嚴(yán)重滯后。不過(guò)，如果特定設(shè)計(jì)或類似設(shè)計(jì)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(yàn)證，就可以防止很多電源和 DC/DC 調(diào)節(jié)問(wèn)題。分析和解決問(wèn)題的負(fù)擔(dān)常常落在系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的肩上。配置設(shè)計(jì)方案復(fù)雜的數(shù)字部分已經(jīng)占據(jù)了這些設(shè)計(jì)師的大部分精力。因此處理設(shè)計(jì)方案的模擬和電源部分就成了主要挑戰(zhàn)，因?yàn)殡娫床⒎侨绾芏嘣O(shè)計(jì)師所預(yù)期的那樣是個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

　　周全的電源管理從一開(kāi)始就很有挑戰(zhàn)性

　　所有設(shè)計(jì)任務(wù)一開(kāi)始都很有挑戰(zhàn)性，例如為一個(gè)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(jì)電源管理方案。不過(guò)，雜亂無(wú)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(lái)應(yīng)對(duì)電源管理設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計(jì)問(wèn)題。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)師匆忙決定選擇較差的解決方案，那么后來(lái)可能出現(xiàn)調(diào)試工作進(jìn)行不下去的情況。

　　從哪里開(kāi)始電源管理設(shè)計(jì)

　　以一種系統(tǒng)化和考慮周全的設(shè)計(jì)方式，可以很有把握地開(kāi)始任何電源管理電路的設(shè)計(jì)。換句話說(shuō)，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(jì)挑戰(zhàn)，那么就可以簡(jiǎn)化電源管理電路的設(shè)計(jì)。另外，電源管理指南給出的電路經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)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)之要求。利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電源管理解決方案設(shè)計(jì)電源管理電路，將確保項(xiàng)目從一開(kāi)始就很有把握。這是讓設(shè)計(jì)方案從原型階段快速進(jìn)入生產(chǎn)階段的關(guān)鍵，因?yàn)檫@樣可以節(jié)省電源調(diào)試時(shí)間。

　　一個(gè)很好的例子：給 Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供電

　　系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員可以使用 FPGA 開(kāi)發(fā)工具評(píng)估 FPGA，而無(wú)須設(shè)計(jì)一個(gè)完整的系統(tǒng)。圖 1 和圖 2 顯示了 Altera 公司新的 20nm Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC （片上系統(tǒng)） 開(kāi)發(fā)電路板。這些電路板經(jīng)過(guò) Altera 公司的測(cè)試和驗(yàn)證，列舉了有關(guān)布局、信號(hào)完整性和電源管理的最佳設(shè)計(jì)實(shí)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(gè)經(jīng)過(guò)精心計(jì)劃的電源管理設(shè)計(jì)可以減小 PCB 尺寸、減輕重量并降低復(fù)雜性，同時(shí)降低功耗和冷卻成本。這對(duì)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(gè)特點(diǎn)，對(duì) SoC 的省電方法起到了補(bǔ)充作用：

　　·Arria 10 的 SmartVID 運(yùn)用 DC/DC 穩(wěn)壓器中集成的 6 位并聯(lián) VID 接口來(lái)控制 DC/DC 穩(wěn)壓器，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下降低了 FPGA 功耗。

　　·DC/DC 穩(wěn)壓器運(yùn)用 DCR 值非常低的電流檢測(cè)方法，通過(guò)最大限度降低電感器中的功耗，提高了效率。溫度補(bǔ)償在電感器溫度較高時(shí)保持準(zhǔn)確度或 DCR 值不變。

　　表 1 概述了圖 1 所示 Arria 10 開(kāi)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。訪問(wèn) www.linear.com.cn/altera，點(diǎn)擊 Arria，了解本文所示兩種電路板的詳細(xì)技術(shù)信息。

　　用 LTpowerPlanner 設(shè)計(jì)工具定制電源樹(shù)

　　如果開(kāi)發(fā)套件中列舉的設(shè)計(jì)不能滿足自己的電源要求怎么辦？在這種情況下，可以用基于 PC 的 LTpowerPlanner® 工具來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源樹(shù)的個(gè)性化和優(yōu)化。

　　從開(kāi)發(fā)套件中給出的建議著手；然后容易地重新組織電源構(gòu)件、改變電源額定值、計(jì)算效率和功耗、仿真每個(gè)電源構(gòu)件、選擇 DC/DC 穩(wěn)壓器器件型號(hào)并驗(yàn)證定制解決方案。

　　LTpowerPlanner 用來(lái)產(chǎn)生滿足 Arria 10 開(kāi)發(fā)套件中 FPGA 要求及系統(tǒng)要求的電源樹(shù) （圖 3），是用途更廣泛的 LTpowerCAD® 設(shè)計(jì)工具之一。

　　LTC2974 （用在電路板上） 增加 PMBus 功能：電源排序、監(jiān)視、裕度調(diào)節(jié)和故障記錄

　　Loss：功耗

　　Sequence On：排序接通

　　Sequence Off：排序斷開(kāi)

　　Green：綠色

　　Blue：藍(lán)色

　　White：白色

　　Pink：粉色

　　DC to DC Regulator：DC 至 DC 穩(wěn)壓器

　　Summary Report：總結(jié)報(bào)告

　　Total Input Power：總輸入功率

　　Total Output Power：總輸出功率

　　Total Power Loss：總功耗

　　Total Efficiency：總效率

　　Total SoluTIon Size：解決方案總體尺寸

　　LTpowerCAD 可幫助用戶：

　　·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(jì)方案輸出到 LTspice®

　　結(jié)論

　　我們可以有把握地開(kāi)始電源管理電路布局。使用 LTPowerCAD 和 LTPowerPlanner 這類工具，可以大大簡(jiǎn)化對(duì)負(fù)載點(diǎn)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(shuō)明這些優(yōu)勢(shì)，本文采用了用于 Altera Arria 10 FPGA 和 SoC以及其他 Altera FPGA （包括電源樹(shù)和材料清單） 的開(kāi)發(fā)套件設(shè)計(jì)指南。訪問(wèn)以下網(wǎng)址可獲得有關(guān)信息：www.linear.com.cn/altera。如需了解賽靈思 FPGA 開(kāi)發(fā)套件，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：www.linear.com.cn/xilinx。這些開(kāi)發(fā)套件均經(jīng)過(guò)Altera 、賽靈思或第三方開(kāi)發(fā)商的測(cè)試和驗(yàn)證。