【導讀】隨著時間的推移和技術的進步，這種復雜性決定了，在FPGA每次更新換代時電源都要提高精度、靈活性、可控性、效率和故障感知能力，還要減小體積。因此尋找為FPGA供電的最佳解決方案并不簡單，一種為特定FPGA尋找優秀供電解決方案的流行方法，是使用許多FPGA供應商均提供的已有電源管理參考設計。
1965年，戈登·摩爾在《電子學雜志》發表了著名的“摩爾定律”。他在文中稱，通過觀察他發現，單個芯片上的晶體管數量每年都在翻倍；他同時預測，這種趨勢應會繼續下去。然而隨著晶體管的尺寸縮小到納米級，一些嚴重的副作用日益凸顯，其中最明顯的是電壓裕量：隨著電壓的減小，晶體管驅動電流(IDSAT)卻不斷增大，由此造成了漏電流以及電路的功率泄露。由于尺寸減小后的每一代晶體管都需要更低的電源電壓，由此導致晶體管強度和泄漏增加，再加上芯片上器件數量不斷增多，結果形成了進行電壓管理的需求——為了滿足每個特定器件的需求，電源電壓必須嚴格控制并且主動可調。
現代FPGA是有史以來最復雜的集成電路之一，它們采用最先進的晶體管技術和頂尖的架構，以實現令人難以置信的靈活性和最高的性能。隨著時間的推移和技術的進步，這種復雜性決定了，在FPGA每次更新換代時電源都要提高精度、靈活性、可控性、效率和故障感知能力，還要減小體積。因此尋找為FPGA供電的最佳解決方案并不簡單，一種為特定FPGA尋找優秀供電解決方案的流行方法，是使用許多FPGA供應商均提供的已有電源管理參考設計。這對于優化設計來說是一個很好的入門方式，但此類設計往往需要修改。作為高性能模擬器件專業提供商，ADI可以為FPGA提供從電源管理選型與優化工具LTpowerCAD到全套電源管理系統PSM的完整解決方案，以使FPGA實現最佳的效率、速度和功率水平。
FPGA可配置架構
如何選擇合適的DC-DC轉換器為FPGA供電？
LTpowerCAD 可用來為各個電壓軌提供電源解決方案，還提供一系列參考設計，以讓設計人員快速入門，且該工具可以免費下載。一旦選擇了電源架構和各個電壓轉換器，就需要選擇合適的被動組件來設計電源。進行這件事時，需要牢記 FPGA 的特殊負載要求，它們分別是：
Ø 各項電流需求
FPGA的實際電流消耗在很大程度上取決于使用情況。不同的頻率和不同的FPGA內容需要不同的功率，因此，在FPGA系統的設計過程中，典型FPGA設計的最終電源規格必然會發生變化。為了利用此類功率估算工具獲得有意義的結果，FPGA的設計必須最終確定，或者至少接近最終完成。
Ø 電壓軌時序控制
許多FPGA要求不同電源電壓軌以特定順序上電。核心電壓的供應往往需要早于I/O電壓的供應，否則一些FPGA會被損壞。為了避免這種情況，電源需要按正確的順序上電。使用標準DC-DC轉換器上的致能接腳，可以輕松實現簡單的上電時序控制。然而，組件關斷通常也需要時序控制，僅執行致能接腳時序控制，很難取得良好的結果。更好的解決辦法是使用具有進階整合時序控制功能的 PMIC，例如集成四通道低噪聲降壓穩壓器的電源解決方案——ADP5014。
Ø 電壓軌單調上升
除了電壓時序之外，啟動過程中還可能要求電壓單調上升，這意味著電壓僅線性上升。在啟動過程中，當電壓上升到一定電平時負載開始拉大電流，就會發生電壓非單調上升的情況，防止這種情況的一種辦法，是延長電源的軟啟動時間，并選擇能夠快速提供大量電流的電源轉換器。
Ø 快速電源瞬變
FPGA的另一個特點是它會非常迅速地開始汲取大量電流，這會在電源上造成很高的負載瞬變。針對電源的負載瞬變和啟動行為，開發工具鏈(包括LTpowerCAD，尤其是LTspice)非常有幫助。該工具可以達到良好的建模和模擬，從而有效實現FPGA的大輸入電容與電源的輸出電容的去耦。
Ø 電壓精準度
FPGA電源的電壓精準度通常要求非常高，3%的變化容差帶相當常見。例如，為使0.85V的Stratix V核心電壓軌保持在3%的電壓精準度窗口內，要求全部容差帶僅為25.5mV，這個小窗口包括負載瞬變后的電壓變化，以及直流精準度。同樣，對于此類嚴格要求，包括LTpowerCAD和LTspice在內的可用電源工具鏈在電源設計過程中非常重要。
應對電源系統管理面臨的挑戰
工程師應該將大部分時間用于編程——他們不希望花費時間和精力去考慮如何設計合適的電源。實際上，最佳供電方案就是采用一種既能滿足項目當前需求，又能達到項目升級發展需求的，強大、靈活且行之有效的設計方案。PSM是ADI公司推出的專門針對FPGA電源系統所有要求的解決方案。該產品組合的優勢包括：
ü 首屈一指的電壓精度（優于±0.5％）
ü 搭載EEPROM存儲器，全面的自主性
ü 完全可編程的集成式電源定序功能，橫跨整個系統的獨立上下時序功能
ü 強大的集成式全系統故障管理
ü 綜合遙測功能：電壓、電流、溫度和狀態
ü 協調式IC系列可解決電源系統各個領域的問題
Intel Arria 10 SoC開發套件展示基于LTM4677電源系統管理解決方案
上圖展示了Intel Arria 10 SoC開發套件采用ADI LTM4677電源系統管理解決方案。在該設計中，內核電源的工作電壓為0.95 V，工作電流為30 A。由于這些電源要求相對寬松，單個LTM4677模塊就可輕松提供所需電流（最高36 A）。對于要求更多電流的且條件更為苛刻的應用，最多可以并行運行四個LTM4677模塊，以提供高達144 A的電流。
單個LTM4677提供高達36 A的電流
該解決方案在電路板空間利用率方面達到了最佳水平，因為集成的μModule器件只需極少的外部元件，而PMBus接口又使得我們可以配置這些器件，無需改動硬件。微模塊是復雜程度最低的解決方案，因為其中融合了許多復雜的模擬考慮因素，如電源開關、電感、電流和電壓檢測元件、環路穩定性和散熱。借助圖形用戶界面，用戶可以全面控制電源。此外，8通道PMBus兼容型電源系統管理器LTC2977能將電壓伺服到編程目標的0.25％以內，其可與LTM4677 μModule器件無縫協作，實現定序和故障響應，使整個電源系統保持統一且易于編程。
LTC2977可管理任意電源電壓
系統中的大多數電源軌需要適度的電流（小于13 A）和適度的電壓容差。這些可由非PSM器件（如LTM4620）提供，并由LTC2977進行定序和管理。這樣就在電路板面積、復雜性和成本之間達到了非常有效的平衡。還有一些電源軌（如PLL和收發器電源）需要的低噪聲超過了開關穩壓器的能力范圍，需要采用線性穩壓器。LTC3025-1 和 LTC3026-1 能很好地滿足這些功能要求，從它們的輸出里消除開關噪聲和負載導致的噪聲。這些也可由LTC2977管理，對故障條件進行定序、修整和處理。
總結
在FPGA發展的每個層次和每個設計階段，電源對于FPGA的成功都扮演著重要的、看不見的角色。通過 ADI 的 LTpowerCAD，設計師可以通過直接輸入電壓軌和電流得到所需的電源解決方案，同時該公司的PSM產品系列也為用戶提供了精確、堅固、靈活、緊湊且易用的電源選擇。
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