缓解超大规模和超大规模的FPGA 应用中的过热

精度和可靠性是电机控制和高精度医疗设备等工业和消费类嵌入式应用的首要任务。在这些类型的系统中，任何故障都可能对系统造成致命影响，并可能导致公司损失数百万美元。最常见的故障点是系统上的电源设备，最常见的故障原因是过热、不受监控的电源轨。

避免这些故障的传统方法是使用远程负载点解决方案，该解决方案可能体积庞大并占用大量电路板空间。此外，在每个系统电源轨上实施电源监视器会增加系统成本。功率 IC 中的热点通常位于电流流经的功率 FET 附近。一种更简单且更具成本效益的方法是将功率 FET 从主功率 IC 中分离出来，这将产生更好的散热效果，并使用电源良好信号实施主动监控来监控电源轨。

通过使用像 TPS650860 这样的集成 PMIC，我们可以实现相同水平的可靠性，而无需支付高昂的价格来购买多个 IC。该设备的架构使我们能够避免过热问题，同时监控每个电源轨以确保系统安全。在每个电源轨上实施的电源良好信号可让我们的系统免于欠压锁定和过压触发。我们可以对每个电源轨进行编程，以在非常严格的公差范围内进行监控。

TPS650860设备是一种单芯片电源管理IC，设计用于多核处理器、FPGA和其他片上系统（SOC）。TPS650860提供5.6 V至21 V的输入范围，可实现广泛的应用。该设备非常适合使用2S、3S或4S锂离子电池组的NVDC和非NVDC电源结构。有关5-V输入电源，请参阅应用部分。D-CAP2™ 而DCS控制的高频调压器采用小电感器和电容器来实现小的解决方案尺寸。D-CAP2和DCS控制拓扑具有出色的瞬态响应性能，这对于具有快速负载切换的处理器核心和系统内存轨来说是非常好的。I²C接口允许通过嵌入式控制器（EC）或SoC进行简单控制。PMIC采用一个8-mm×8-mm的单列VQFN封装，带有散热垫，具有良好的散热性能，便于电路板布线。

▲特征：
● 宽V-IN范围从5.6 V到21 V
● 带DCAP2的三个可变输出电压同步降压控制器™ 拓扑学
■使用具有可选电流限制的外部FET的可缩放输出电流
■I²C DVS控制在10 mV步进中从0.41 V到1.67 V，或在25 mV步进中从1 V到3.575 V
● 采用DCS控制拓扑的三台变输出电压同步降压变换器
■电压输入范围为4.5 V至5.5 V
■高达3 A的输出电流
■I²C DVS在10 mV步进中控制从0.41 V到1.67 V，或在25 mV步进中控制从0.425 V到3.575 V
● 三个输出电压可调的LDO稳压器
■LDOA1:l²C—输出电流高达200 mA时，可选择1.35 V至3.3 V的输出电压
■LDOA2和LDO A3:l²C—可选择的输出电压范围为0.7 V至1.5 V，输出电流可达600 mA
● 用于DDR内存终止的VTT LDO
● 带回转率控制的三个负载开关
■输出电流高达300 mA，压降小于标称输入电压的1.5%
■输入电压为18 V时，R-DSON<96 mΩ
● 5伏固定输出电压LDO（LD05）
■开关电源和LDOA1的门驱动器电源
■自动切换至外部5伏降压电路，提高效率
● 通过工厂OTP编程实现内置的灵活性和可配置性
■六个GPI引脚可配置为启用（CTL1至CTL6）或任何选定轨道的睡眠模式入口（CTL3和CTL6）
■四个GPO引脚可配置为任何选定轨道的电源
■漏极开路中断输出引脚
● l²C接口支持：
■标准模式（100 kHz）
■快速模式（400 kHz）
■快速模式Plus（1 MHz）

图 1 显示了 PMIC 与 FPGA 之间的连接。集成到器件中的三个降压控制器需要外部功率 FET，它将任何热点移出 PMIC。当 FPGA 全速运行时，移动热点可以在恶劣环境中更好地散热，并确保 PMIC 的可靠性。

图 1：连接图

除了将热点从 PMIC 中转换出来外，控制器架构还允许我们根据 FPGA 所需的功率来扩展系统大小；我们可以根据每个电源轨所需的电流选择外部 FET。我们可以以这样的方式设计系统，即每条轨道可以提供高达 10 秒的振幅，精度高达 +/- 3%。这反过来又减小了系统尺寸和成本。

凭借所有这些灵活性，我们可以通过简单的 OTP 旋转为多个 FPGA 供电，并优化解决方案以缓解热问题。