避免FPGA、GPU和ASIC系統(tǒng)電源管理中的調(diào)試周期

在設(shè)計(jì)FPGA、GPU或ASIC控制系統(tǒng)時(shí)，與數(shù)字設(shè)計(jì)相關(guān)的電源管理和模擬系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)數(shù)量相形見(jiàn)絀。然而，假設(shè)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以留給“以后”或與數(shù)字設(shè)計(jì)保持一致是有風(fēng)險(xiǎn)的。即使是電源設(shè)計(jì)中看似無(wú)害的問(wèn)題也會(huì)顯著延遲系統(tǒng)的發(fā)布，因?yàn)殡娫聪到y(tǒng)調(diào)試周期的任何增加時(shí)間都可能停止數(shù)字端的所有工作。

解決 DC/DC 監(jiān)管問(wèn)題的一個(gè)好方法是使用 FPGA、GPU 或 ASIC 供應(yīng)商提供的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的開(kāi)發(fā)套件。通常，電源產(chǎn)品供應(yīng)商以及FPGA、GPU和ASIC制造商可以作為電路板/套件提供設(shè)計(jì)本身或類似設(shè)計(jì)。使用經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證的套件可以減輕系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員大多數(shù)電源系統(tǒng)和模擬問(wèn)題的負(fù)擔(dān)，使他們能夠?qū)⒕性谂渲脧?fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)上。在進(jìn)行重大設(shè)計(jì)之前，先確定最佳的電源系統(tǒng)布局。

深思熟慮的電源管理在開(kāi)始時(shí)具有挑戰(zhàn)性

每個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)最初都是艱巨的，電源管理設(shè)計(jì)也不例外。當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)中需要電源時(shí)，包括收發(fā)器、存儲(chǔ)器模塊、傳感器、線路連接器和PCB走線網(wǎng)格和PCB平面層。使用眾多 DC/DC 穩(wěn)壓器、電容器、電感器、散熱和散熱器以及組件布局隨意解決系統(tǒng)電源管理問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致下游設(shè)計(jì)問(wèn)題。簡(jiǎn)單地投入具有正確輸入/輸出要求的DC/DC穩(wěn)壓器在某些時(shí)候會(huì)抑制進(jìn)度，并導(dǎo)致耗時(shí)的調(diào)試過(guò)程。

從哪里開(kāi)始電源管理

與數(shù)字設(shè)計(jì)和編碼一樣，電源管理設(shè)計(jì)也應(yīng)系統(tǒng)地進(jìn)行。在PCB組裝之前，應(yīng)仔細(xì)分析和準(zhǔn)確建模電源管理系統(tǒng)。電源管理指南已經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，可滿足FPGA、ASIC、GPU和微處理器以及使用這些組件和其他數(shù)字組件的系統(tǒng)的要求。將電源系統(tǒng)與經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電源管理解決方案進(jìn)行映射，可確保項(xiàng)目充滿信心地啟動(dòng)。這是將設(shè)計(jì)從原型設(shè)計(jì)階段快速轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)階段的關(guān)鍵，可以減少在調(diào)試電源上花費(fèi)的時(shí)間。

案例研究：為 Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供電

如上所述，F(xiàn)PGA 開(kāi)發(fā)套件使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員能夠評(píng)估 FPGA，而無(wú)需從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)完整的系統(tǒng)。圖 1 和圖 2 顯示了 Altera 的新型 20 納米 Arria 10 FPGA 和 Arria 10SoC（片上系統(tǒng)）開(kāi)發(fā)板。這些電路板經(jīng)過(guò) Altera 的測(cè)試和驗(yàn)證，體現(xiàn)了布局、信號(hào)完整性和電源管理方面的最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐。

圖1.Arria 10 GX FPGA 開(kāi)發(fā)套件板。用于電源傳輸和與LTpowerPlanner接口的所有功能（圖形軟件控制）都包含在電路板上，并經(jīng)過(guò)工廠測(cè)試和驗(yàn)證。最大限度地減少了系統(tǒng)調(diào)試，并簡(jiǎn)化了性能測(cè)試（包括裕量調(diào)節(jié)）。有關(guān)所包含電源管理組件的摘要，請(qǐng)參閱表 1。?

圖2.Arria 10 GX FPGA 板的電源診斷樹(shù)（圖 1）。LTpowerPlanner設(shè)計(jì)，LTpowerPlanner是一款用于映射功率需求的分析性且簡(jiǎn)單的第一步設(shè)計(jì)工具。

內(nèi)核、系統(tǒng)和 I/O 的電源管理

應(yīng)仔細(xì)選擇高端 FPGA 的電源管理解決方案，包括 Arria 10。經(jīng)過(guò)深思熟慮的電源管理設(shè)計(jì)可以減小PCB尺寸、重量和復(fù)雜性，并最大限度地降低功耗和冷卻成本。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

例如，圖1中為Arria 10 GX FPGA內(nèi)核供電的12V DC/DC穩(wěn)壓器提供的0.95V/105A電壓具有幾個(gè)功能，補(bǔ)充了SoC的節(jié)能方案：

Arria 10 的 SmartVID 使用 DC/DC 穩(wěn)壓器的集成 6 位并行 VID 接口來(lái)控制 DC/DC 穩(wěn)壓器，并在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下降低 FPGA 功耗。

DC/DC 穩(wěn)壓器的極低值 DCR 電流檢測(cè)通過(guò)最大限度地減少電感中的功率損耗來(lái)提高效率。溫度補(bǔ)償可在較高的電感溫度下保持精度或DCR值。

表 1 總結(jié)了 Arria 10 開(kāi)發(fā)套件的電源軌和功能，如圖 1 所示。下表列出了每個(gè)函數(shù)的部件和說(shuō)明。訪問(wèn)此鏈接并單擊 Arria，并訪問(wèn)此處介紹的兩塊板的技術(shù)詳細(xì)信息。

使用 LTpowerPlanner 設(shè)計(jì)工具自定義電源樹(shù)

如果您的電源要求與開(kāi)發(fā)套件中的示例設(shè)計(jì)不同，該怎么辦？在這些情況下，使用基于 LTpowerPlanner PC 的設(shè)計(jì)工具來(lái)個(gè)性化和優(yōu)化系統(tǒng)的電源樹(shù)。?

從開(kāi)發(fā)工具包中給出的建議開(kāi)始;然后重新組織電源模塊，更改額定功率，計(jì)算效率和功率損耗，模擬每個(gè)電源模塊，選擇 DC/DC 穩(wěn)壓器部件號(hào)并驗(yàn)證自定義解決方案。

LTpowerPlanner用于為Arria 10開(kāi)發(fā)套件的FPGA和系統(tǒng)要求生成電源樹(shù)（圖3），并在更全面的LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具中提供，可在 www.analog.com/ltpowercad 免費(fèi)下載。?

圖3.Arria 10 SoC 開(kāi)發(fā)套件板

圖4.Arria 10 SoC 開(kāi)發(fā)套件板的電源診斷樹(shù)（圖 3）。

LTpowerCAD使用戶能夠：

選擇特定的凌力爾特 DC/DC 穩(wěn)壓器以匹配給定的電源規(guī)格

選擇合適的功率元件，如電感器、電阻器和電容器

優(yōu)化效率和功率損耗

優(yōu)化穩(wěn)壓器環(huán)路穩(wěn)定性、輸出阻抗和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

將設(shè)計(jì)導(dǎo)出到 LTspice?

結(jié)論

充滿信心地開(kāi)始電源管理布局。LTpowerCAD和LTpowerPlanner等工具簡(jiǎn)化了映射負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器和分析整體性能的任務(wù)。此處顯示的示例具體概述了使用 Altera Arria 10 FPGA 和 SoC 開(kāi)發(fā)套件設(shè)計(jì)指南的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：郭婷