數(shù)據(jù)中心、圖像處理和通信設(shè)備中使用的 FPGA 性能正在迅速提高，市場上也在不斷推出新設(shè)備。因此需要為 FPGA 提供低壓和大電流電源，而且設(shè)計(jì)難度也在增加。在此背景下，模塊型電源集成電路備受關(guān)注。另一方面，那些尚未熟悉電源設(shè)計(jì)的人可能會問，與分立式電源相比，模塊式電源在用作 FPGA 電源時(shí)有哪些優(yōu)勢？本文將為那些設(shè)計(jì) FPGA 電源電路的人介紹在 FPGA 電源設(shè)計(jì)中需要了解的要求，以及 ADI μ Module (微型模塊) 穩(wěn)壓器作為符合這些要求的電源模塊。

設(shè)計(jì) FPGA 時(shí)對電源的要求

在 FPGA 對電流要求越來越高的背景下，F(xiàn)PGA 對電源的要求主要以下有四點(diǎn)：

節(jié)省空間

在許多情況下，根據(jù)最終產(chǎn)品的預(yù)定尺寸，電源電路的空間是有限的，因此設(shè)計(jì)人員通常面臨的一個(gè)共同挑戰(zhàn)是沒有足夠的電路板空間來容納所需的功能，特別是 FPGA 的電壓系統(tǒng)較多，電路規(guī)模往往較大，設(shè)計(jì)難度較大。此外，由于安裝 FPGA 的多層板價(jià)格昂貴，因此從“盡可能降低板成本”的角度來看，也需要小型化。

精度高、熱效率高

最新的 FPGA 對電流和精度有嚴(yán)格的要求，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常抱怨很難高精度地輸出大電流。另外隨著 FPGA 功耗的增加，IC 產(chǎn)生的熱量也會增加。因此我們需要避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)完美但電路板太熱而無法商業(yè)化的情況，所使用的 IC 的精度和效率對電源設(shè)計(jì)有重大影響。

長期可用性

由于 FPGA 外圍電路的設(shè)計(jì)難度很高，所以很自然地認(rèn)為，一旦板子做出來，就應(yīng)該盡可能地繼續(xù)量產(chǎn)。當(dāng)一個(gè)元件停產(chǎn)后，重新設(shè)計(jì)需要花費(fèi)很大的精力，因此在采用時(shí)必須考慮該元件的長期可用性。除此還必須盡可能減少組件的數(shù)量，以降低組件管理的復(fù)雜性和停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)靈活性

開關(guān)穩(wěn)壓器具有大量組件和復(fù)雜的布局，設(shè)計(jì)起來需要時(shí)間和技術(shù)。未經(jīng)充分驗(yàn)證的布局可能會因過壓 (EOS) 而導(dǎo)致毀壞，但近年來的首要任務(wù)是盡快將產(chǎn)品推向市場，這通常意味著無法花費(fèi)足夠的驗(yàn)證時(shí)間。如果首先引入最先進(jìn)的 FPGA，則在電源設(shè)計(jì)過程中所需的規(guī)格可能會發(fā)生變化。由于所需的電流量取決于 FPGA 執(zhí)行的任務(wù)，所以可能會在交貨前才發(fā)現(xiàn)電流不足。在緊迫的時(shí)間內(nèi)匆忙處理返工問題的情況并不少見。為了快速應(yīng)對各種情況，設(shè)計(jì)需要有靈活性。

FPGA 最佳電源 IC μModule 穩(wěn)壓器

面對如此多的要求，什么樣的電源 IC 最適合 FPGA 電源？ADI 的 μModule (微模塊) 穩(wěn)壓器電源模塊系列，是將高精度模擬 IC 和外圍電路結(jié)合在一個(gè)封裝中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的單芯片解決方案，具有支持各種電源的產(chǎn)品陣容。下圖 (圖1) 為 μModule 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，在小型封裝中，每個(gè)組件 (包括外圍電路) 都以接近理想的布線布置安裝，從而實(shí)現(xiàn)低噪聲。即使那些沒有電路設(shè)計(jì)知識的人也可以輕松開發(fā)高質(zhì)量的 FPGA 電源，而無需擔(dān)心詳細(xì)組件的布局。μModule 穩(wěn)壓器有助于實(shí)現(xiàn)電源電路的小型化，顯著減少設(shè)計(jì)工時(shí)，減少元件數(shù)量，縮短開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市速度。

圖1 μModule 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

μModule 穩(wěn)壓器的特性和功能

以下介紹 ADI 的 μModule 穩(wěn)壓器的五個(gè)特點(diǎn)：

小型化

μModule 穩(wěn)壓器在支持大電流的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了封裝小型化。 例如，LTM4624 采用超緊湊型封裝，在 6.25mmx6.25mmx5.01mm 的空間內(nèi) (包括電感器和其他外圍元件) 可驅(qū)動高達(dá) 4A 的電流。如下圖 (圖2) 所示，與相同尺寸的分立式電源相比，LTM4624 電路板空間可減少約 70%，與其他制造商的模塊相比，ADI 擁有單位面積大電流的產(chǎn)品陣容。

圖2 LTM4624 電路板空間減少約 70%

高效率

能讓許多產(chǎn)品都實(shí)現(xiàn)高效率，這是 μModule 穩(wěn)壓器的吸引力之一。 例如額定電流為 125A 的 LTM4681 效率高達(dá) 90%，與其他模塊制造商相比非常出色。即使在大電流下也能減少發(fā)熱，因此非常適合作為功耗逐年增加的 FPGA 的電源。

高擴(kuò)展性

如下圖 (圖3、圖4) 所示，μModule 穩(wěn)壓器具有許多獨(dú)特的功能，可實(shí)現(xiàn)靈活的設(shè)計(jì)，并且具有高度可擴(kuò)展性。

圖3 評估板 DC3082A-C LTM4681 當(dāng)前份額示例

圖4 12Vin 至 0.75Vout @480A 工作環(huán)境溫度

它具有電流共享功能，此功能允許在并聯(lián)放置的多個(gè)模塊之間共享單個(gè)電壓系統(tǒng)的輸出。 由于可以分散熱量的產(chǎn)生，因此可以輕松解決電路板發(fā)熱問題。

【使用示例】

通過捆綁多個(gè)輸出，可以構(gòu)建單個(gè)模塊無法實(shí)現(xiàn)的大型電源

電源可分配以提供冗余

除此以外，產(chǎn)品陣容不僅能從單個(gè)模塊提供單電源，還能輸出多通道 (如兩個(gè)或四個(gè)通道) 的產(chǎn)品。

【使用示例】

由于單個(gè)模塊可以為多個(gè)電壓系統(tǒng)供電，因此可以節(jié)省大量空間，并大大減少元件數(shù)量。

多個(gè)輸出系統(tǒng)可以靈活地捆綁在一起，形成一個(gè)電路。 例如，如下圖 (圖5) 所示，在四通道 (LTM4644) 模塊中，單個(gè)模塊可以處理從“4 個(gè) 4A 輸出”到“單個(gè) 16A 輸出”。

提供冗余，例如“將其用作儲備并在用完時(shí)使用”。它增加了靈活性，并使其更容易響應(yīng)突然的規(guī)格變化。

圖5 LTM4644 可處理從 4 個(gè) 4A 輸出到單個(gè) 16A 輸出

下圖 (圖6) 為引腳兼容系列產(chǎn)品，其產(chǎn)品陣容強(qiáng)大，輸入電壓、輸出電壓和封裝尺寸幾乎完全相同，支持各種輸出電流值。無需更改電路本身，只需更換組件，即可輕松改變規(guī)格并優(yōu)化成本。豐富的產(chǎn)品線可以自由選擇最合適的模塊，并按照自己的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)。μModule 穩(wěn)壓器沿襲了原有的凌力爾特“原則上不停產(chǎn)”的方針。對于設(shè)計(jì)負(fù)載較高的 FPGA 而言，無停產(chǎn)之憂和穩(wěn)定的可用性并沒有寫入規(guī)范，但這將帶來巨大的價(jià)值。

圖6 引腳兼容系列產(chǎn)品

μModule 穩(wěn)壓器產(chǎn)品陣容介紹

對于每個(gè)可以輸出的系統(tǒng)數(shù)量，有三種類型的 μModule 穩(wěn)壓器。

單通道：從一個(gè)模塊輸出到一個(gè)電壓系統(tǒng)

雙通道：從一個(gè)模塊輸出到兩個(gè)電壓系統(tǒng)

四通道：從一個(gè)模塊輸出到四個(gè)電壓系統(tǒng)

在雙通道和四通道中，輸出電壓可以捆綁在一起。下圖 (圖7、圖8、圖9) 分別為單通道、雙通道以及四通道輸出產(chǎn)品陣容：

圖7 單路輸出陣容 (20Vin 以下)

圖8 雙輸出產(chǎn)品陣容 (20Vin 以下)

圖9 四路輸出產(chǎn)品陣容

ADI 面向英特爾 FPGA 的參考電源指南

對于英特爾 FPGA，我們從 ADI 中精心挑選一系列產(chǎn)品，并編寫了參考電源指南。 除了針對每個(gè) FPGA 系列推薦的器件外，參考電源指南還列出了電源啟動和關(guān)閉時(shí)序要求的順序。

應(yīng)用實(shí)例

數(shù)據(jù)中心

電信設(shè)備

圖像處理設(shè)備