FPGA電源系統(tǒng)管理

簡介

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的起源可以追溯到20世紀80年代，從可編程邏輯器件(PLD)演變而來。自此之后，F(xiàn)PGA資源、速度和效率都得到快速改善，使FPGA成為廣泛的計算和處理應用的首選解決方案，特別是當產(chǎn)量不足以證明專用集成電路(ASIC)的開發(fā)成本合理有效時。FPGA取得快速發(fā)展，并廣泛用于大規(guī)模部署。例如，繼2013年試點項目中使用FPGA成功加快Bing搜索引擎的速度之后，Microsoft^?將配備FPGA的服務器使用范圍擴展到云數(shù)據(jù)中心。

FPGA電源系統(tǒng)要求

FPGA需要幾個不同的低壓供電軌，每個供電軌都有自己的電壓和電流規(guī)格，以便為其內(nèi)核邏輯、I/O電路、輔助邏輯、收發(fā)器和存儲器供電。這些供電軌可能需要按特定的順序開啟和關閉，以避免損壞FPGA。負載點(POL)穩(wěn)壓器將電路板較高的輸入電源電壓降低為FPGA所需的多個輸入電壓。當功率轉(zhuǎn)換效率至關重要時，開關穩(wěn)壓器可用作POL穩(wěn)壓器，而線性穩(wěn)壓器（例如低壓差(LDO)穩(wěn)壓器）則用于噪聲敏感型電路，例如PLL和收發(fā)器。

典型的電路板輸入電壓為5 V、12 V、24 V和48 V，F(xiàn)PGA的輸入電壓范圍則為低于1 V至約3 V。對于高輸入電壓（12 V、24 V、48 V），可能需要使用額外的降壓穩(wěn)壓器來生成饋送給POL穩(wěn)壓器的中間總線電壓（參見圖1）。在FPGA供電軌中，核電壓需要最低的電壓（約等于或低于1 V）和最高的精度（±3%或更優(yōu)），電流電平約為幾十安培，具體取決于FPGA資源的利用率。為了防止出現(xiàn)邏輯錯誤，不僅在直流條件下，而且在FPGA電流瞬態(tài)期間，電壓波動都需要按照FPGA供電軌公差規(guī)格要求控制在幾十毫伏之內(nèi)。電源的直流精度越差，在瞬態(tài)條件下維持可用電源電壓所需的旁路電容就越多。例如，假設采用±3%內(nèi)核電壓公差規(guī)格。使用精度為±1%的直流電源時，對應的瞬態(tài)公差為±2%。直流電源的精度較低(±2%)時，瞬態(tài)公差會更嚴格(±1%)，相比之前的示例，需要更多的旁路電容。

圖1 一種可行的FPGA電源樹設計：高壓輸入電源（例如12 V、24 V或48 V）降至中間總線電壓，然后饋送給為FPGA供電的POL穩(wěn)壓器

在最終進行設計變更、在另一種應用中重用設計、實施板裕量測試，以及在開發(fā)或現(xiàn)場運行期間動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)功耗時，都需要基于默認的設定點調(diào)整或微調(diào)FPGA電源電壓電平。在這種情況下，在電源反饋網(wǎng)絡中采用多個不同電阻并聯(lián)不是最快或最可行的解決方案。實現(xiàn)電壓微調(diào)的一種方法是使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來驅(qū)動穩(wěn)壓器的反饋網(wǎng)絡（參見圖2）。需要為微調(diào)程序編寫軟件代碼，從模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)獲取電源電壓測量數(shù)據(jù)，以計算正確的DAC代碼，然后緩慢將DAC輸出調(diào)節(jié)至計算出的數(shù)字碼，逐步穩(wěn)定提高電源電壓，在不會產(chǎn)生毛刺或過沖的情況下達到目標電壓電平。這種微調(diào)程序需要重復實施，以確保不會因為組件隨時間或溫度變化出現(xiàn)偏移，進而導致電源偏離目標電壓。

圖2 使用DAC和ADC將POL電源輸出電壓微調(diào)至目標電壓

監(jiān)測FPGA電源電壓、電流和故障條件，對于理解系統(tǒng)在不同場景下的健康狀況和功耗至關重要，這是因為，F(xiàn)PGA是整個電子系統(tǒng)的核心。將這種理解和微調(diào)功能結(jié)合起來，可以避免為最壞的情況設計電源，從而節(jié)省成本和功率。此外，潛在的系統(tǒng)故障可能表現(xiàn)為FPGA功耗異常，從而在電路板或系統(tǒng)發(fā)生故障之前讓主機控制器或維修人員及早發(fā)現(xiàn)問題。電壓監(jiān)測需要使用ADC，而電流監(jiān)測還需要使用電平偏移電路將高電平電流檢測電壓轉(zhuǎn)換為接地基準電壓；例如，如圖3所示，通過使用跨導放大器。

圖3 用于監(jiān)測POL電源輸出電壓、電流和功率的一種分立式電路可行方案

雖然我們還未探討故障管理，但看了這一長串要求之后，您可能已頭暈腦脹。當POL輸出出現(xiàn)欠壓或過壓時，即在有效的電壓窗口范圍外時，會出現(xiàn)什么情況？應該只關閉故障電源？還是應該也關閉其他電源？如何消除導致系統(tǒng)板關斷的故障

我們可以看到，F(xiàn)PGA的電源系統(tǒng)管理很快會變得非常復雜，從而分散對基本的FPGA應用的關注。注意，F(xiàn)PGA的電源樹只是數(shù)字處理電路板上整個電源系統(tǒng)的一部分。上述大部分要求也適用于其他數(shù)字器件，例如ASIC、DSP、GPU、SoC和微處理器。我們所需的是一個簡單、可擴展且靈活的電源系統(tǒng)管理解決方案。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理

ADI公司提供數(shù)字電源系統(tǒng)管理(DPSM)器件產(chǎn)品，以滿足數(shù)字處理電路板中復雜的電源系統(tǒng)要求。DPSM器件可提供或不提供集成DC/DC轉(zhuǎn)換，以替代POL穩(wěn)壓器，或者與現(xiàn)有的POL穩(wěn)壓器配合使用。電源系統(tǒng)管理器不提供DC/DC轉(zhuǎn)換，對于由開關或LDO穩(wěn)壓器構(gòu)成的現(xiàn)有模擬電源系統(tǒng)，可增加數(shù)字監(jiān)測和控制功能。使用單個器件（例如LTC2980），可對16個POL穩(wěn)壓器實施微調(diào)、裕量調(diào)節(jié)、監(jiān)測、時序控制、電源監(jiān)控、故障記錄和故障管理?？梢曰旌虾推ヅ涫褂貌煌ǖ罃?shù)器件（2、4、8或16個通道），以管理數(shù)百個供電軌。雙通道LTC2972 是該系列的最新產(chǎn)品，它提供了一種簡單的入門解決方案，可監(jiān)測和控制此類電源系統(tǒng)中兩個最重要的供電軌； 例如，F(xiàn)PGA內(nèi)核供電軌和輔助供電軌。

雙通道電源系統(tǒng)管理器

 TC2972是一款雙通道電源系統(tǒng)管理器，為FPGA、ASIC和處理器電路板增加了基于軟件的全面監(jiān)測、控制和黑盒故障記錄功能，可加快產(chǎn)品上市，提升系統(tǒng)可靠性，以及優(yōu)化電路板功耗（圖4）。使用出色的16位ADC對POL電源輸出電壓實施微調(diào)、裕量調(diào)節(jié)和監(jiān)測，總非調(diào)整誤差(TUE)為0.25%，以提升電路板的功率和長期性能。因為能夠嚴格控制POL輸出電壓，實現(xiàn)±0.25%的精度，所以在負載瞬態(tài)（在±3% FPGA供電軌規(guī)格下，精度為±2.75%）期間有很大的裕量，從而大幅減少所需的旁路電容并釋放電路板空間。電源輸出電流使用檢測電阻、電感DCR，或者電源的IMON輸出進行測量。電壓和電流測量值在內(nèi)部進行乘法運算，提供POL輸出功率讀數(shù)。

圖4 LTC2972是一款雙通道電源系統(tǒng)管理器，提供中間總線電源監(jiān)測和POL輸出功率監(jiān)測

LTC2972內(nèi)置電源時序控制、監(jiān)控和EEPROM故障記錄功能。通過將時間延遲寫入內(nèi)部寄存器或使用級聯(lián)電源良好信號來完成時序控制。當POL輸入電壓、輸出電壓和溫度以數(shù)字方式偏離可設置閾值上下限時，專用快速比較器發(fā)出故障信號。故障觸發(fā)EEPROM黑盒記錄，簡化故障分析，并提供有關未來系統(tǒng)改進的相關見解。第一個故障命令提供關于系統(tǒng)故障原因的更多信息。故障信息可靈活傳播到其他電源或其他DPSM器件。

LTC2972支持對POL轉(zhuǎn)換器的中間總線輸入實施電壓、電流、功率和電能監(jiān)控。為了管理、優(yōu)化和降低電路板功耗，進而降低服務器和數(shù)據(jù)中心的散熱和公用設施成本，必須監(jiān)測電路板功率和電能使用狀況。LTC2972通過PMBus接口（與電源管理和轉(zhuǎn)換器件通信的行業(yè)標準）方便地提供輸出電能（單位：焦耳）和運行時間，以減少繁重的輪詢和計算任務。將LTC2972與POL輸出電壓、電流和功率這些數(shù)字測量值結(jié)合使用，就可以長期監(jiān)測電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

每個通道都配有可編程電源良好引腳或通用輸入/輸出(GPIO)引腳。LTC2972與其他電源系統(tǒng)管理器連接，可實現(xiàn)兩個以上供電軌的時序和故障管理。使用通過I2C/SMBus接口傳輸?shù)募嫒軵MBus命令，可對電源系統(tǒng)實施靈活編程和數(shù)據(jù)回讀。配置在支持ADI所有DPSM產(chǎn)品的LTpowerPlay^?開發(fā)環(huán)境下完成（參見圖5）。采用所需的應用特定配置進行內(nèi)部EEPROM編程后，就無需為實現(xiàn)自動運行而編寫軟件代碼。

圖5 適用于DPSM產(chǎn)品的LTpowerPlay開發(fā)環(huán)境：無需為實現(xiàn)自動運行而編寫代碼

結(jié)論

FPGA廣泛應用于各種電子系統(tǒng)，甚至取代ASIC，但其周圍具有復雜的電源系統(tǒng)。ADI公司提供多種DPSM產(chǎn)品來幫助簡化電源系統(tǒng)管理。如果您以前從未用過DPSM，您可以試試LTC2972，這是一款入門級產(chǎn)品，能夠解決數(shù)字處理電路板上復雜的電源系統(tǒng)問題。

作者簡介

Pinkesh Sachdev是ADI公司的電源系統(tǒng)管理(PSM)產(chǎn)品應用工程師。他擁有印度理工學院（印度孟買）電氣工程學士學位以及斯坦福大學電氣工程碩士學位。