面向FPGA应用的电源设计

近几年，FPGA 产业迅速扩张，有越来越多的工程师从事着与 FPGA 相关的设计和研发工作。作为任何一款产品都不可或缺的电源，也面临来自FPGA应用的要求和挑战。一方面是需求的增多，另一方面的技术指标要求的不断提升，如何帮助工程师轻松完成FPGA产品的电源设计，让他们得以将更多的精力投入到核心部分的设计中，从而缩短设计周期，成了每个电源厂商要面对的问题。为此，笔者采访了来自优质电源产品供应商凌力尔特公司的DC/DC µModule 产品市场经理Afshin Odabaee，来听一听他对面向FPGA应用的电源产品的理解和他提出的一些理想的解决方案。

FPGA的发展

今天，FPGA呈现出高速发展的趋势。其中 FPGA 的硅工艺方面，在缩小设计几何尺寸方面业已取得了巨大的技术进步。这种工艺变革始于 80nm 至 40nm 的几何尺寸缩减，而如今，28nm 器件很快即将推出。同时，在高端 FPGA 的应用方面，其强劲需求来自于高密度单板计算板、数据通信、工业以及某些非消费型便携式设备 (例如：医疗成像和机器诊断)。较便宜的低端 FPGA 则常用于诸如相机等消费类产品。由于 FPGA 的功能不断增加并拥有“从设计至面市”时间较快的优势，因此许多功能强大的 FPGA 器件正在逐步取代应用 ASIC 的方法。

对电源产品的特殊要求

FPGA 产品设计中，电源是不可或缺的一部分。而应用于 FPGA 领域的电源包括静态电源、动态电源和收发器电源等多种，对不同的电源，要求也不同。

其中，静态电源：较小几何尺寸的 FPGA 具有较高的静态漏电流。运用 28nm 工艺的高密度 FPGA 可能很受追捧，但其消耗电流仍然达到几个安培；

动态电源：这时 FPGA 处于运行状态并吸收几十安培的电流。除了电流消耗较高之外，这些新型器件的内核电压已下降至 1V 或更低。在非常高的电流条件下调节如此低的电压是一项适合采用非常准确和可靠的 DC/DC 稳压器来完成的工作；

收发器电源：新型 FPGA 用收发器的 SERDES (串行器/解串器) 接口具有 6Gbps 至 12Gbps 的速度范围。在进行此类高速数据传输时，功耗也将增加，因而需要具较高运作效率和较低发热量的 DC/DC 稳压器。

凌力尔特帮助你轻松实现设计

面对这些特殊要求，凌力尔特公司在其工程和市场部内设了一个特别小组，负责与两家规模最大的 FPGA 供应商以及较小的 FPGA 厂商的接洽及合作事宜。凌力尔特提前数年便对 FPGA 电源架构的详细情况进行了解，并设计适合未来 FPGA 需要的 DC/DC 稳压器或 DC/DC 微型模块 (μModule) 稳压器。这些稳压器具备相应的功能和性能，以迎合多种 FPGA 以及那些使用 FPGA 的系统。

适合 FPGA 的产品实例为多输出 DC/DC μModule 稳压器，比如 LTM4615 和 LTM4616，在 FPGA 有可能需要多达 6 种不同电压的 FPGA 电源设计中，这两款器件可以取代将近 30 个分立元件。凌力尔特还设计了具非常低传导噪声的产品，以最大限度地降低对高速 SERDES 数据的干扰 (即：尽量地抑制抖动)。而且，除了电源产品之外，凌力尔特还开发了数据转换器以及数字接口电源控制和监视器件，旨在简化电源调节和收发器设计。

FPGA应用之外

在谈到除 FPGA 应用之外的其他热点领域以及未来电源产品竞争的关键点，Afshin表示，凌力尔特感兴趣和擅长的领域是高端产品。高端产品制造商有一个愿望，也是他们所面临的巨大挑战，即：设计高密度 PCB 和系统、同时提升其系统的计算和数据传输能力。因此，在这些制造商相互竞争的过程中，有三个主要方面将是他们必需重点关注的：

1 耗电量：其系统在满负荷使用时的耗电量是多少？换句话说：他们的客户将向电力公司支付多少钱？设计精良和高性能的电源设计方案可降低耗电量。

2 散热成本：系统设计人员通过将热量从其系统中去除以冷却系统，这需要花费多少钱? 花费将用于：使用具较多铜箔的较厚 PCB、较大或转速较快的风扇、较多的金属 (以传递热量)、系统内部各电路板之间的较长走线距离 (用于提供冷却气流等)。

3 可靠性：高温 (这个术语表达的是一种相对的概念，它取决于具体的应用及场合) 将会影响半导体 IC 或系统的可靠性。以较低的温度来运作一个系统可延长其可靠工作寿命，因此，对于高端数字系统来说，电源管理和 DC/DC 稳压器的选择正变得越来越重要