避免FPGA、GPU和ASIC系统电源管理中的调试周期

在设计FPGA、GPU或ASIC控制系统时，与数字设计相关的电源管理和模拟系统相关的设计挑战数量相形见绌。然而，假设电源系统设计可以留给“以后”或与数字设计保持一致是有风险的。即使是电源设计中看似无害的问题也会显著延迟系统的发布，因为电源系统调试周期的任何增加时间都可能停止数字端的所有工作。

解决 DC/DC 监管问题的一个好方法是使用 FPGA、GPU 或 ASIC 供应商提供的经过验证的开发套件。通常，电源产品供应商以及FPGA、GPU和ASIC制造商可以作为电路板/套件提供设计本身或类似设计。使用经过测试和验证的套件可以减轻系统设计人员大多数电源系统和模拟问题的负担，使他们能够将精力集中在配置复杂的数字系统上。在进行重大设计之前，先确定最佳的电源系统布局。

深思熟虑的电源管理在开始时具有挑战性

每个设计任务最初都是艰巨的，电源管理设计也不例外。当复杂系统中需要电源时，包括收发器、存储器模块、传感器、线路连接器和PCB走线网格和PCB平面层。使用众多 DC/DC 稳压器、电容器、电感器、散热和散热器以及组件布局随意解决系统电源管理问题可能会导致下游设计问题。简单地投入具有正确输入/输出要求的DC/DC稳压器在某些时候会抑制进度，并导致耗时的调试过程。

从哪里开始电源管理

与数字设计和编码一样，电源管理设计也应系统地进行。在PCB组装之前，应仔细分析和准确建模电源管理系统。电源管理指南已经过测试和验证，可满足FPGA、ASIC、GPU和微处理器以及使用这些组件和其他数字组件的系统的要求。将电源系统与经过验证的电源管理解决方案进行映射，可确保项目充满信心地启动。这是将设计从原型设计阶段快速转变为生产阶段的关键，可以减少在调试电源上花费的时间。

案例研究：为 Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供电

如上所述，FPGA 开发套件使系统开发人员能够评估 FPGA，而无需从头开始设计完整的系统。图 1 和图 2 显示了 Altera 的新型 20 纳米 Arria 10 FPGA 和 Arria 10SoC（片上系统）开发板。这些电路板经过 Altera 的测试和验证，体现了布局、信号完整性和电源管理方面的最佳设计实践。

图1.Arria 10 GX FPGA 开发套件板。用于电源传输和与LTpowerPlanner接口的所有功能（图形软件控制）都包含在电路板上，并经过工厂测试和验证。最大限度地减少了系统调试，并简化了性能测试（包括裕量调节）。有关所包含电源管理组件的摘要，请参阅表 1。®

图2.Arria 10 GX FPGA 板的电源诊断树（图 1）。LTpowerPlanner设计，LTpowerPlanner是一款用于映射功率需求的分析性且简单的第一步设计工具。

内核、系统和 I/O 的电源管理

应仔细选择高端 FPGA 的电源管理解决方案，包括 Arria 10。经过深思熟虑的电源管理设计可以减小PCB尺寸、重量和复杂性，并最大限度地降低功耗和冷却成本。这对于实现最佳系统性能至关重要。

例如，图1中为Arria 10 GX FPGA内核供电的12V DC/DC稳压器提供的0.95V/105A电压具有几个功能，补充了SoC的节能方案：

Arria 10 的 SmartVID 使用 DC/DC 稳压器的集成 6 位并行 VID 接口来控制 DC/DC 稳压器，并在静态和动态状态下降低 FPGA 功耗。

DC/DC 稳压器的极低值 DCR 电流检测通过最大限度地减少电感中的功率损耗来提高效率。温度补偿可在较高的电感温度下保持精度或DCR值。

表 1 总结了 Arria 10 开发套件的电源轨和功能，如图 1 所示。下表列出了每个函数的部件和说明。访问此链接并单击 Arria，并访问此处介绍的两块板的技术详细信息。

 

导轨/功能	部件号	描述
FPGA 内核电源	LTC3877 + LTC3874	105A at 0.9V 稳压器与 Arria 10 SmartVID 无缝接口
高速收发器	LTM4637	20A μModule 稳压器
上电/断电排序、电压和电流监控、电压裕度调节和故障管理	LTC2977	8通道PMBus电源系统管理器
电源路径™管理	LTC4357	高压理想二极管控制器
3.3V 中间总线，从 12V V在	LTM4620	双通道 13A 或单通道 26A μModule 稳压器
输入过压保护	LTC4365	过压、欠压和反向电源保护控制器
内务管理系统电源和电源管理	LT1965、LT3082、LTC4352、LTC3025-1、LTC2418	低噪声线性稳压器，24位ADC;低压理想二极管

 

使用 LTpowerPlanner 设计工具自定义电源树

如果您的电源要求与开发套件中的示例设计不同，该怎么办？在这些情况下，使用基于 LTpowerPlanner PC 的设计工具来个性化和优化系统的电源树。®

从开发工具包中给出的建议开始;然后重新组织电源模块，更改额定功率，计算效率和功率损耗，模拟每个电源模块，选择 DC/DC 稳压器部件号并验证自定义解决方案。

LTpowerPlanner用于为Arria 10开发套件的FPGA和系统要求生成电源树（图3），并在更全面的LTpowerCAD设计工具中提供，可在 www.analog.com/ltpowercad 免费下载。®

图3.Arria 10 SoC 开发套件板

图4.Arria 10 SoC 开发套件板的电源诊断树（图 3）。

LTpowerCAD使用户能够：

选择特定的凌力尔特 DC/DC 稳压器以匹配给定的电源规格

选择合适的功率元件，如电感器、电阻器和电容器

优化效率和功率损耗

优化稳压器环路稳定性、输出阻抗和负载瞬态响应

将设计导出到 LTspice®

 

导轨/功能	部件号	零件的一般描述
0.9V：V抄送（FPGA核心电源）	LTM4677	双通道18A或单通道36A μ模块稳压器，具有数字电源系统管理
3.3V：系统电源	LTM4676	双通道13A或单通道26A μ模块稳压器，具有数字电源系统管理
1.2V：AVDD_PLL	LTC3026-1	1.5A 低输入电压 VLDO™ 线性稳压器
1.0V：ENET_DVDD	LTC3025-1	500mA 微功率 VLDO 线性稳压器
1.8V：USB_FPGA	LT3010	50mA、3V至80V低压差微功耗线性稳压器
电压监测和控制	LTC2977	8通道PMBus电源系统管理器，具有精确的输出电压测量功能
用于模拟输入的 16 位 ADC	LTC2497	16位8/16通道Δ-Σ型ADC，具有简易驱动™输入电流消除和I2C 接口
1.25V 电压基准	LT1389	毫微功耗精密并联电压基准

 

结论

充满信心地开始电源管理布局。LTpowerCAD和LTpowerPlanner等工具简化了映射负载点稳压器和分析整体性能的任务。此处显示的示例具体概述了使用 Altera Arria 10 FPGA 和 SoC 开发套件设计指南的优势。

审核编辑：郭婷