隨著(zhù)FPGA制造工藝尺寸持續縮小、設計配置更加靈活，以及采用FPGA的系統的不斷發(fā)展，原來(lái)只采用微處理器和ASIC的應用現在也可以用FPGA來(lái)實(shí)現了。最近FPGA供應商推出的新型可編程器件進(jìn)一步縮小了FPGA和ASIC之間的性能差別。盡管這類(lèi)器件的可配置性對設計工程師很有吸引力，但使用這些器件所涉及的復雜設計規則和接口協(xié)議，要求設計工程師經(jīng)過(guò)全面的培訓，并需要進(jìn)行參考設計評估、設計仿真和驗證工作。另一方面，FPGA應用中非常復雜的模擬設計，例如用于內核、I/O、存儲器、時(shí)鐘和其它電壓軌的DC/DC穩壓器，也要求新的解決方案。本文討論的高性能DC/DC轉換器有助于系統設計工程師克服這些挑戰。

FPGA系統的供電要求
1. 管理多個(gè)電壓軌
上一代FPGA需要2或3個(gè)電源軌，如今有些高端的多核FPGA需要多達7個(gè)電源軌，包括傳統的3.3V電源軌和最新出現的1.0V～2.8V低電壓軌，甚至更低的電壓軌。此外，除了FPGA，存儲器、網(wǎng)絡(luò )處理器、圖形處理器、模數或數摸轉換器、運算放大器和射頻集成電路等器件也需要其它一些電壓軌。
具有排序和跟蹤功能的DC/DC穩壓器可確保有多個(gè)電壓軌的系統有序啟動(dòng)，避免電壓軌之間出現沖突。每個(gè)穩壓器都必須能跟蹤其它壓器的輸出電壓。盡管 FPGA不需要電壓軌排序，但是系統中不同部分的電壓仍需要按順序斜坡上升或下降，以免在電壓軌上升或下降太快的時(shí)候發(fā)生閉鎖。
電源軌的跟蹤和排序以前是由單獨的電源管理IC完成，如今設計工程師要求將排序和跟蹤功能嵌入到穩壓器中，特別是當這些電源軌必須位于系統的不同地方時(shí)。

2. 調節低 Vt和I/O電壓
快速I(mǎi)/O節點(diǎn)通常要消耗FPGA應用中的大部分功率，但1.8V和2.5V I/O提供幾十安培負載電流、高端系統要求40~80A I/O設計的情況非不常見(jiàn)。
根據電路板設計原則，DC/DC穩壓器必須離負載一段距離，而且從輸出端到穩壓點(diǎn)有一段較長(cháng)的PCB走線(xiàn)。當負載電流較大時(shí)，PCB走線(xiàn)會(huì )引入電壓誤差，誤差值等于負載電流(I)乘以這段走線(xiàn)的阻抗(R)。由于負載電壓降低、電流增大，這個(gè)I×R的電壓誤差值將更大。例如，對3.3V電壓軌而言，200mV壓降將產(chǎn)生6%的誤差，而對1.2V電壓軌則會(huì )產(chǎn)生17%的誤差。因此，盡管DC/DC穩壓器可以設置成輸出1.2V電壓，但由于I×R壓降的存在，負載端只有1.0V電壓。
當采用90nm和65nm工藝時(shí)，FPGA的Vt和性能取決于電源軌的精確度，因此17%的誤差很容易降低性能。例如，Vt的100mV變化，將使漏電流增大10倍或者更多。
標準DC/DC穩壓器只有在負載電壓與輸出電壓非常接近時(shí)才能進(jìn)行準確的電壓調節，但它們不能對I×R壓降進(jìn)行補償。誤差校正必須用遠端感應放大器來(lái)實(shí)現。對負載進(jìn)行差分遠端檢測可以實(shí)現最精確的調節，這時(shí)需要精確運算放大器和精確電阻。一個(gè)理想的穩壓器應該在-40oC至85oC的溫度范圍內，提供至少±1.5%的負載電壓調節精度。這樣的精度也許對3.3V電壓軌來(lái)說(shuō)無(wú)關(guān)緊要，因為數字IC可容忍±0.5V的偏差，但要求1.8V、1.0V或 0.9V電壓軌的90nm或65nm器件要求更高的精度。
用戶(hù)一旦設置了穩壓器的輸出電壓，差分遠端檢測就通過(guò)在較寬的負載電流范圍內補償PCB走線(xiàn)產(chǎn)生的I×R壓降，來(lái)自動(dòng)調節負載點(diǎn)電壓。這樣，當系統處于待機模式或負載電流和I×R壓降都為峰值的全速狀態(tài)時(shí)，電壓調節將非常精確。

圖1：包括基于FPGA設計所需的所有功能的四輸出103W DC/DC系統簡(jiǎn)化方框圖。

3. 降低電壓紋波噪聲和電容要求
在非便攜式應用中，隨著(zhù)對壓降和電流要求的提高，當選擇DC/DC穩壓器時(shí)，熱耗散和工作效率變得更加重要。在便攜式應用中，盡管每個(gè)電壓軌的負載電流較小，但工作效率和待機效率在節省電池能量和簡(jiǎn)化便攜式產(chǎn)品的熱量管理方面仍非常重要。
與線(xiàn)性穩壓器相比，開(kāi)關(guān)模式DC/DC穩壓器在便攜式和非便攜式應用中都是一個(gè)性能更高的解決方案，尤其在功率要求較高的時(shí)候。例如，在3.3V輸入電源在，開(kāi)關(guān)模式穩壓器能以90%的效率提供1.2V電壓和5A電流，而線(xiàn)性穩壓器的效率只有36%。此外，開(kāi)關(guān)模式穩壓器要消耗0.7W功率，而線(xiàn)性穩壓器則消耗10.5W。
不過(guò)，開(kāi)關(guān)模式穩壓器因其固有的開(kāi)關(guān)工作模式會(huì )引入開(kāi)關(guān)噪聲和較高的輸出紋波噪聲(輸出電壓峰峰值紋波)。不幸的是，需要更低電壓軌的新型FPGA、眼圖要求更嚴格的快速I(mǎi)/O信號對電源“噪聲”的容許度更低。為減少紋波噪聲，可以給電路增加更多輸入和輸出電容，以抑制峰峰值紋波電壓。但抑制開(kāi)關(guān)噪聲的挑戰性更大。一種可能的方法是使DC/DC穩壓器的工作頻率與外部時(shí)鐘同步，這樣可以強制穩壓器工作在對系統其它噪聲敏感器件的干擾最小的頻率范圍內。在幾個(gè)開(kāi)關(guān)模式穩壓器同步到一個(gè)時(shí)鐘頻率，且這個(gè)時(shí)鐘頻率不干擾系統其它部分的情況，這種方法尤其有效。
上述方法有助于設計噪聲較低的開(kāi)關(guān)模式負載點(diǎn)穩壓器解決方案，不過(guò)如果在設計之初就確定了合適的結構、功能和布局，則能大大減少噪聲問(wèn)題。這種穩壓器能最大限度降低對電容、濾波和電磁干擾(EMI)屏蔽的依賴(lài)。

4. 精調電壓和改善空氣流動(dòng)
當 FPGA或FPGA的外圍IC被組裝到一個(gè)完整的系統中之后，它們的性能可能與在實(shí)驗室工作臺上單獨測試得到的性能有所不同。焊料類(lèi)型、溫度、PCB布線(xiàn)、走線(xiàn)阻抗、裝配流程等都會(huì )影響器件的性能。例如，如果FPGA內核的電壓被調節在一個(gè)非預期的電壓上，內核運行速度就會(huì )下降，導致系統的計算能力下降。
因此，工程師在質(zhì)檢或裝配期間評估器件性能時(shí)，要求器件能以很小的步長(cháng)提高或降低輸出電壓，這個(gè)功能被稱(chēng)為余量功能(margining)。在前面例子中，內核電壓可以調高，以便使FPGA的工作頻率達到期望值。余量功能還可以幫助系統制造商提高生產(chǎn)高總產(chǎn)量。
人們希望基于FPGA的系統在增加功能、存儲容量或計算能力的同時(shí)縮小尺寸，這促使設計工程師改善器件散熱的方法，其中一個(gè)簡(jiǎn)單方法是在器件上方實(shí)現有效的空氣流動(dòng)。封裝高的器件阻礙了FPGA或存儲器這類(lèi)封裝薄的器件上方的空氣流動(dòng)。預裝配的DC/DC負載點(diǎn)穩壓器引起的空氣阻塞問(wèn)題非常嚴重，因為這些器件的高度是FPGA和其它IC高度的6至10倍。
FPGA較薄的BGA封裝非常有用，因為可以從封裝頂部高效率地散出內部產(chǎn)生的熱量。當一個(gè)較高的器件(如預裝配的DC/DC穩壓器)阻礙空氣流動(dòng)，并緊靠FPGA器件時(shí)，FPGA的這種優(yōu)點(diǎn)就無(wú)法發(fā)揮出來(lái)。

新一代DC/DC系統：µModule穩壓器
凌力爾特公司完整的開(kāi)關(guān)模式DC/DC系統包括片上MOSFET、電感、電容、DC/DC控制器和補償電路，類(lèi)似一個(gè)表面貼IC，走線(xiàn)簡(jiǎn)單，只需幾個(gè)大容量電容和一個(gè)電阻來(lái)設置輸出電壓。這個(gè)DC/DC系統可以預組裝，并已考慮到了合理的布線(xiàn)和封裝，以實(shí)現最佳的電氣和熱性能。DC/DC開(kāi)關(guān)模式架構采用電流模式，其快速的瞬態(tài)響應特性有助于最大限度地減小所需的輸出電容。這個(gè)DC/DC系統與外部時(shí)鐘同步，因此多個(gè)系統可以并聯(lián)起來(lái)以提供大電流，同時(shí)最大程度地減小開(kāi)關(guān)噪聲干擾和輸出紋波噪聲。這些新型DC/DC穩壓器采用微小、輕型的表面貼封裝，以使電路板組裝更緊湊、更簡(jiǎn)單。封裝的高度很低，以便于空氣在該系統和有關(guān)IC的上方流動(dòng)。
凌力爾特公司將這個(gè)新一代的DC/DC系統稱(chēng)作µModule穩壓器。µModule穩壓器包含一系列器件，輸出電流范圍為6A至12A、輸入電壓為4.5V至28V、輸出電壓為0.6V至5V。有些功能豐富的µModule穩壓器還具有跟蹤等功能，這樣具有多個(gè)電源軌的FPGA系統可實(shí)現正確的上電和斷電。它的電感也進(jìn)行了屏蔽，能最大限度地減小EMI。由于µModule穩壓器具有余量功能，所以系統設計工程師可以準確地調節電壓，除了在組裝和測試期間提高產(chǎn)量外，還可以提高FPGA和系統其它部分的性能。
圖1采用LTM4601、4 層PCB設計的四輸出103W µModule DC/DC系統。這個(gè)解決方案利用8V至16V中間總線(xiàn)輸入產(chǎn)生4種輸出：1.5V/12A、1.8V/12A、2.5V/12A和3.3V/10A。圖 2是簡(jiǎn)化的方框圖。4個(gè)LTM4601單元的相位鎖定到四輸出、四相振蕩器LTC6902上，LTC6902產(chǎn)生90o交錯的時(shí)鐘信號以減小噪聲和紋波。圖3給出了這個(gè)簡(jiǎn)單、緊湊的解決方案的效率。特別值得一提的是，該解決方案無(wú)需散熱器。

圖2：圖1電路中的每個(gè)輸出的效率。

本文小結
凌力爾特公司在DC/DC穩壓器架構和封裝方面的創(chuàng )新使新一代負載點(diǎn)解決方案能夠滿(mǎn)足FPGA系統更嚴格的要求。µModule DC/DC穩壓器系列包括6種產(chǎn)品，具有多種功率級別和功能。µModule DC/DC解決方案非�？煽�，這為多芯片封裝器件樹(shù)立了新的性能標準，為新一代FPGA和基于FPGA的系統更精細地提高性能鋪平了道路。