為FPGA供電的挑戰和應對

　　“很多電子工程師可能還沒有迫切感受到電源對FPGA、處理器、ASIC等設計的制約性，但作為FPGA廠商，我們很清楚電源將越來越成為設計的瓶頸，”日前在談到電源發展挑戰時，ALTERA中國區Enpirion產品高級業務經理張偉超表示：“在為FPGA等器件設計電源時，工程師通常會遇到許多設計兩難：市場需求驅使設備生產商在其產品中增加越來越多的特性和功能，希望提供更大的帶寬，進一步減小外形封裝，并且提高能效。最新的28 nm和20 nm FPGA、處理器或其他SoC都需采用更小尺寸，更高精度的電源管理器件來支持。市面上多數的電源產品都在為更好的解決這些問題而努力，但能權衡多方面性能表現的產品不多。”

　　為FPGA供電的挑戰

　　集成度以及功率密度越來越高是電源發展的必然趨勢，隨著系統所集成功能的不斷上升，對電源供電也提出更高要求、同時系統中更多模塊、接口占據了本就有限的PCB板，如何縮小電源面積，為PCB板節約空間是所有電源模塊、電源SoC設計的關鍵考量因素之一。“在高集成度要求下，設計師需要在電源抗干擾性、轉換效率、電路尺寸等方面做出權衡設計。希望能有更好的外圍器件，如輸入輸出電容，來消除紋波、提供穩定的電流電壓。希望更高的開關轉換頻率，來降低外圍器件尺寸。當然頻率增高會影響開關損耗，使產品散熱問題嚴重，從而影響轉換效率。同時，很多設備都涉及高數據傳輸、RF電路(如4G網絡)等，這些電路通常對噪聲更為敏感，需要更安靜的電源設計。有工程師不得不為此放棄使用開關電源而采用低效的線性電源來降低噪聲干擾，但同時也帶來系統低效和散熱等問題。同樣，在為數字負載(FPGA核電壓、FPGA接口電壓、CPU電壓)供電情況下，這些負載電壓變化會比較大，需要電源在短時間內有很好的瞬態表現。目前在工業、醫療設備、通信等領域對電源的瞬態效應有很高的要求。這些都是工程師在設計電源時會遇到的實際問題。”張偉超介紹道，“ALTERA此番通過收購引入Enpirion電源，就是看中其能夠在多方面解決這些設計困擾。”

　　Enpirion三項核心技術

　　據張偉超介紹，Enpirion的電源SoC，能將大部分外圍器件集成到芯片內部，允許器件在更高的頻率工作，并降低開關損耗。其主要得益于三個核心技術：基于高頻開關IC技術，Enpirion可以允許器件工作在更高的頻率。通常器件工作頻率在500kHz到1MHz之間，Enpirion最高可以允許器件工作在5MHz，高工作頻率可以允許外圍器件小，從而易于被集成;基于電磁材料工程的核心技術，通常電源模塊也會集成電感，但這些電感是市面上通用的產品。而Enpirion對電感的材料和工藝結構都具有專利技術，可以定制化自己的電感，再集成到SoC內部可實現在更高的工作頻率下，獲得更低的開關損耗，從而維持很好的運作效率，也能實現很好的EMI表現;第三項核心技術是其電源封裝和架構技術，在將電源控制器、MOSFET、電感、補償網絡等器件集成到芯片內部時，器件間會相關干擾或影響，如何使器件被集成后仍能保持很好的可靠性及轉換效率，實現低紋波、低噪聲等性能，都在封裝架構中得到進一步的實現。

　　如何解決設計難題

　　基于上述核心技術，Enpirion可實現高功率密度和小外形封裝，可極大的減小負載點穩壓所需要的PCB面積和高度，與其他分立開關穩壓器和模塊相比功率密度可提升20%到50%.通過高頻開關技術，允許器件工作在更高頻率，在提高集成度的同時不影響效率，同時配合定制的電感和MOSFET，使環路尺寸小，并能降低EMI.同時，Enpirion所采用的EDMOS不同于業界標準的MOSFET，重點降低了輸入輸出電容的參數，從而進一步減小開關損耗，來提高效率。對于開關電源的噪音問題，Enpirion可以做到與線性電源接近的開關噪聲，可應用于為噪聲敏感的電路供電，同時確保轉換效率。和分立器件構成的電源相比，Enpirion使用極少的元器件數量，從而也具有更高的可靠性。Enpirion的PowerSoC作為完整的電源系統，進行了專門的仿真測試，特征測試，驗證和制造測試，可實現45，000年MTBF可靠性。適合應用于工業、通信、醫療等對運行可靠性要求高的領域。

　　據悉，Enpirion系列中即將上市的新品30A全數字PowerSoC，在VIN-12 V / VOUT=1.2 V、常溫的工作環境下可以實現90%以上的轉換效率。可連續輸出30A (@ 1.5V)，支持并聯可實現高達180A的電流輸出。適合應用在通信、工業、醫療等中高端設備中為FPGA、處理器或ASIC等核處理器供電。該產品還是一款全數字的Power SoC，其芯片內部的控制環路(Control Loop)也是全數字的，可實現實時自適應的控制環路，提高控制的精準度，也實現更快速的瞬態響應。其輸出穩壓精度小于0.5%精度(0.6V≤VOUT≤1.5V)。隨著FPGA的核電壓越來越低，目前核電壓值在2V、1V或更低，如果電源控制精度不夠，很難為其提供準確的電壓，而全數字芯片能為FPGA在內的負載提供更精確的電壓控制。同時該芯片可提供降低系統功耗的SmartVID和PMBus遠程監測功能，這兩種功能在通信、工業等中高端設備中應用廣泛，可實現更智能的電源控制。該產品目前已供樣，預計在今年年底可量產。

　　集成了電感，具有補償功能的PowerSoC所需的外圍設計簡單，可以節省設計時間，加速產品上市。同時，Enpirion將為ALTERA旗下FPGA產品，包括新發布的MAX 10 FPGA配備電源參考設計，從而使客戶在采購FPGA的同時可以擁有合適的電源參考設計，達到“一站式”解決方案。后續開發只需較少的設計步驟，相對于分立開關穩壓器顯著縮短了設計時間。同時，這些電源解決方案是經過全面驗證的PCB布線和設計，可幫助客戶設計一次成功。解決方案所帶的設計軟件也可方便工程師在后期設計時簡單實現想要的功能。