FPGA的60W~72W高密度電源的電氣性能、熱性能及布局設計之深入分析

　　FPGA 或其支持 IC 在裝入某個完整系統時所表現的性能與其在試驗臺上單獨測試時所呈現的性能指標會有所不同。諸如焊料的種類、溫度、PCB 布局、走線阻抗和裝配工藝等因素會影響組件的性能。例如：倘若 FPGA 的內核電壓被調節在一個非期望的數值而這導致運行速度的減慢，那么系統的計算能力將會下降。在某些場合中，質量控制人員不得不將某個偏離其預期性能的系統判為不合格。

　　為此，當工程師在合格性查驗或組裝期間評估性能時，他們必需具備以小幅增量來提升或降低輸出電壓的能力。此項功能被稱為“裕度調節”。在前面的例子中，可以提高內核電壓以使 FPGA 的工作頻率達到其期望的水平。這種裕度調節功能還能有助于系統制造商在生產過程中提升總體良率。

　　在最近與一位系統設計師的討論中，我們了解到他的電源要求是：調節 1.5V 電壓，并向一個由 4 個 FPGA 組成的負載輸送高達 40A 的電流。這意味著必須在狹小的面積和盡可能低的高度之內 (以提供流暢的氣流進行冷卻) 輸送高達 60W 的功率。電源必須是可以表面貼裝的，并以足夠高的效率運作，旨在最大限度地減少熱耗散。另外，他還要求解決方案盡可能地簡單，這樣他就可以把時間全部投入到更加復雜的工作中去。除了精準的電性能以外，這種解決方案還必須快速去除 DC-DC 轉換期間產生的熱量，這樣在它附近的電路和 IC 就不會發生過熱。此類解決方案需要一種創新型設計以滿足下列標準：

　　1. 非常扁平以提供有效的氣流并防止對周圍的 IC 產生“熱遮蔽”;

　　2. 高效率以最大限度地減少熱耗散;

　　3. 均流能力以均勻地散播熱量，從而消除熱點并盡量降低或免除增設散熱器的需要;

　　4. 內置于表面貼裝型封裝之中的完整 DC/DC 電路，包括 DC/DC 控制器、MOSFET、電感器、電容器和補償電路，以實現靈活而簡易的解決方案。

　　DC/DC 設計中的創新

　　創新是一種模塊化 (但采用表面貼裝) 的方法，這種方法運用了高效 DC/DC 轉換、精準均流和低熱阻抗封裝，以在只需采取極少冷卻處理的情況下提供輸出功率。由于外形扁平并在 4 個器件之間實現了功率均分，因此采用該解決方案的系統僅憑較少的風扇或較低的扇速即可滿足散熱要求，而所需的散熱器極少或根本不需要布設散熱器。以上特點有助于實現一個成本較低的系統，其去除熱量所消耗的功率較少。圖 1 示出了用于此類電路的測試板。這款設計可調節 1.5A 輸出并提供 40A (最高可達 48A) 的負載電流。每個“黑色方塊”都是一個完整的 DC/DC 電路，并內置于一個 15mm x 15mm x 2.8mm 表面貼裝型封裝之中。由于只需使用少量的輸入和輸出電容器，因此采用這些 DC/DC µModule系統的設計就和照片上顯示的一樣簡單。