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FPGA电源设计的「窗户纸」,本文给点破了!

2019-08-07
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关键词FPGA,FPGA电源,POL,电源设计,解决方案


作为一种复杂的集成电路,FPGA系统供电的电源的设计与一般的电子系统相比,要求也更高,需要具备高精度、高密度、可控性、高效及小型化等的特点。本文系统介绍了FPGA电源的不同特性,同时会通过实例,让工程师更深入地了解各特性的意义,以及FPGA规范约束及其对电源设计的影响,以便快速完成FPGA系统的电源设计


前言


FPGA (Field Programmable Gate Arrays) 是现今最复杂的集成电路之一。它们采用先进的晶体管技术和芯片架构实现高性能、小体积的高端产品,而为FPGA系统供电的电源与一般的电子系统相比,要求更高。


随着市场上对FPGA系统应用的普及,对其电源解决方案的需求也越来越旺盛,FPGA电源系统除了需要满足基本要求外,还需要具备高精度、高密度、可控性、高效及小型化等的特点。


现实中,工程师希望将大部分时间花在编程上,而不想花太多的时间和精力考虑如何设计合适的电源耗材。所以在本文中,我们会介绍FPGA电源的不同特性,同时会通过实例,让工程师更深入地了解各特性的意义,以及FPGA规范约束及其对电源设计的影响。


电压精度


内核电源电压 (Core Power Supply) 是平衡FPGA功耗和性能的最重要关键要素之一。规格书中一般会列出可接受的电压范围,但此范围并不是完整的描述,对FPGA而言,电源电压在满足线路运作要求的同时,也需要权衡和优化。下图一是以IntelArria 10 FPGA内核电压要求为例,其也代表了其他FPGA内核的电压要求。一般会显示容差范围额定电压,例如Arria 10 FPGA为±0.03V,FPGA会在这个电压窗口内运行得很好,但实际情况比图片显示复杂很多。


事实上,FPGA可以在不同电压下工作,这具体取决于其特殊的制造公差以及所采用的特定逻辑设计。即使是同一电压要求,一个FPGA所需的静态电压也可能是与另一个FPGA不同,所以在电源设计时必须要考虑对应FPGA的动态与静态之间的变化而自行调控。

图1,Arria 10 FPGA内核电压要求 (来源: Intel®Arria® 10 器件数据表)


动态功率和静态功率


设计合适的FPGA电源方案,目标是产生恰当的性能水平来操作编程功能,减少不必要的功耗。我们从半导体物理学的角度看,动态和静态功率都随着内核VDD的增加而显著增加,因此我们的目标是让FPGA有足够电压来正常运行,以满足其时间要求——因为过量功耗不但对提高性能没有任何帮助,相反它会令晶体管漏电流随着温度的升温,消耗更多的不必要的电力。由于这些原因,当务之急是优化设计和工作点的电压


该优化过程需要非常精确的电源才能获得成功。如果内核电压低于要求,则FPGA可能由于时序错误而发生故障。如果内核电压漂移超过最大规格,可能会损坏FPGA,或者可能会在逻辑中产生保持时间故障。所以,必须考虑电源容差范围来防止所有这些情况,并且仅保证保持在规格限制内的指令电压。


问题是大多数电源调节器都不够准确。调节电压可以在被指令电压附近的公差范围内的任何地方,并且它可以随负载条件、温度和老化而漂移。±2%容差的电源即表示可以在4%的电压范围内输出任何值。为了补偿电压处于2%过低的可能性,被指令电压必须比满足时序所需的电压提高2%。如果经过调节器后电压漂移到高于被指令电压2%处,它将比该工作点所需的最小电压运行高4%。这仍然符合规定的FPGA所需的电压要求,却浪费了大量功率,如下图2所示


图2,电源调节器容差权衡


解决这一问题的方案是选择能够以更严格的电压容差运行的电源调节器。使用具有±0.5%容差的调节器,可以在所需的工作频率下、更接近所需的最小规格内工作,并且保证与所需的电压相差小于1%。这样,好让FPGA在最小功耗的情况下,正常工作

高电量需求


FPGA系统中的器件通常需要不同调节电压,例如电压的内核电压处理器,其要求电压可以是0.8V、1.0V、1.2V、1.5V或1.8V等。虽然是低电压供应,但其密集的晶体管结构及长期保持高速运作的情况下,供电电源方案可能需要10A或以上,具体的处理器要求通常决定了其他电源要求,例如负载瞬态恢复、待机模式等,这需要负载点(Point-of-Load,或简称PoL)稳压电源专为核心电压设计。 PoL稳压电源是一种高性能稳压器,其各Vout电压轨独立于各自的负载设置。这有助于解决高瞬态电流的要求以及诸如FPGA高性能半导体器件的低噪声要求。例如ADI 公司的LTM4678系列,包含两组能够同时提供高密度的电源供应输出,分别为1V@25A 及1.8V@25V

图3,ADI的LTM4678应用线路图



可控性需求



FPGA中含有大量而复杂编排的晶体管,一块芯片包含数亿个晶体管,当中被分割成可以设计并独立管理的内核段、模块段和隔断。这些特定的编排是的其具有许多不同电源域,在电压、电流、纹波和噪声以外,还包括启动、关断和故障条件期间的序列顺序,故可控性的FPGA电源需要妥善管理输出的次序及其电量


市场中较新的FPGA在规格中会提供针对启动和关断电源时的序列顺序提出特定的要求,确保FPGA正常开启及复位,保持最小的电流消耗,并在电源转换期间将I/O保持在正确的三态配置下。再以Arria 10为例,其技术规格将电源分为三个序列组(1、2、3),并要求它们按升序排列为1、2、3,然后按相反的顺序降序排列:3、 2、1

图4,Arria 10电源组顺序示意图


例如ADI公司的LTC2936可以提供六个可编程阈值模拟比较器,用于检测快速事件并将数字状态发送到逻辑。该器件还有三个可编程GPIO引脚,可提供额外的功能。该可编程IC包括EEPROM,后者可在启动时近乎即时地工作;该IC还能通过其I2C/SMBus接口存储故障遥测数据以便进行调试


图5,ADI的LTC2936应用方框图



FPGA 开发套件支持


工程师可利用FPGA开发套件协助开发。例如Arria 10 SoC开发套件 (DK-SOC-10AS066S-A)展示了用于Arria 10 SoC 电源要求的ADI的LTM4677µmodule电源解决方案


在套件中,内核电源的工作电压为0.95V,工作电流为30A。由于这些电源要求相对宽松,单个LTM4677模块就可轻松提供所需电流(最高36A)。对于要求更多电流且条件更为苛刻的应用,最多可以并行运行四个LTM4677模块,以提供高达144A的电流,如图7所示。

图6,Arria10 SoC开发套件



图7,利用四个LTM4677模块并联的应用电路图,可提供高达144A的电流



利用参数列表选料


了解应用的要求之后,工程师可在Digi-Key官网上,在「电源 - 板安装」分类中,选择「直流转换器」子分类。「应用筛选程序」中,工程师可在「类型」中找到「POL」,或直接在「在结果中搜寻」中输入「POL」以筛选PoL稳压电源。


图8


  结  语 

在FPGA系统中,电源解决方案是工程师需要考虑的重要题目之一。与一般的电脑要求不同,FPGA电源需要高精度、可编程功能、可调度等要素,及最重要的「高能量密度」,即低电压/高电流。业界已将这类型的产品研发归类于负载点(PoL)稳压电源


为方便工程师选料,Digi-Key官网上的「电源 - 板安装」分类中的「直流转换器」子分类中,在「类型」中已将PoL产品列出,方便工程师更快更准确地选料。







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