FPGA是一種非常復(fù)雜的數(shù)字處理器，并且其中還包含了高性能的模擬器件，因此，如何給它提供電流非常具有挑戰(zhàn)性。另外，Stratix10系列FPGA采用了14nm工藝，這意味著電源必須是高性能的，而且設(shè)計難度也非常大。 今年5月份，Altera公司并購了電源公司Enpirion，該公司以設(shè)計體積小、效率高、容易使用、高可靠性的電源電路板而出名。前不久，該公司推出了面向Cyclone V SoC優(yōu)化的第一款參考設(shè)計(圖1)。Altera公司電源業(yè)務(wù)部市場總監(jiān)Mark Davidson介紹說，收購Enpirion之后，Altera和Enpirion成為了一個整體公司，這樣就可以更好地利用其在電源和在FPGA方面的專業(yè)知識。將兩個公司的專業(yè)知識結(jié)合在一起設(shè)計解決方案，是這兩個公司以前沒有辦法提供的。
圖1：電源優(yōu)化的FPGA參考設(shè)計。
該電源解決方案提高了效率，縮短了開發(fā)時間，減小了電路板面積，降低了BOM成本。它運用了一套模擬設(shè)計流程，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的開關(guān)頻率和很高的效率。電感對DC-DC轉(zhuǎn)換器來說非常重要，該參考設(shè)計運用了磁性工程學(xué)的知識，可以在很小的面積內(nèi)實現(xiàn)很強(qiáng)的電流。 同時，這款完整的電源解決方案，也實現(xiàn)了很高的可靠性(圖2)。
圖2：Enpirion實現(xiàn)了獨特的電源優(yōu)勢。
《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 該參考設(shè)計在引腳布局上減小了50%，功耗降低了35%;其控制環(huán)路通過控制FPGA電壓精度，帶來優(yōu)異的瞬變性能，使得大容量去耦電容的使用減少了50%;其低噪聲和低紋波特性，使得它能夠高效地為收發(fā)器和鎖相環(huán)(PLL)供電;通過減少元器件數(shù)量，該電源提高了可靠性，降低了生命周期成本。 圖3顯示了Cyclone V SoC參考設(shè)計獲得的一些實際成果。圖中所示之前和之后的電路，是使用以前的開發(fā)套件與具有Enpirion電源轉(zhuǎn)換的新的開發(fā)套件所做的比較。圖中的七個電路是Enpirion的powerSoC。從圖中可以看到，器件面積減少了50%，總體面積縮小了22%。除了變小之外，它的效率更高了，功耗降低了35%。同時，F(xiàn)PGA在使用新技術(shù)后，電容數(shù)量減少了50%(打叉劃掉的五個電容是不再需要的電容數(shù)量，每一個電容約為50美分，又花錢又占電路板面積)。
圖3：Cyclone V SoC參考設(shè)計減小了系統(tǒng)體積，降低了功耗，減少了大電容。
《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 目前，該Cyclone V SoC電源參考設(shè)計可下載的設(shè)計包包括：開始設(shè)計所需要的信息、原理圖、每一電源組件的Gerber文件、完整的物料清單(BOM)列表和應(yīng)用筆記。未來，Altera還將增加更多的參考設(shè)計提供給客戶。 Altera在收購了Enpirion公司以后，比以前兩家獨立的公司提供了更多的創(chuàng)新，包括：最大開關(guān)頻率 + 集成電感 = 最少的大容量去耦電容，保證了FPGA性能;減少去耦電容 = 降低成本 + 更小的體積;提高集成度 + 減少元器件數(shù)量 = 更高的可靠性，更低的總成本。Mark Davidson表示，通過把電源、FPGA系統(tǒng)工程、電路板布局以及信號完整性領(lǐng)域的專家集中起來，可以設(shè)計出更好的解決方案。這樣就可以提供更小、性能更優(yōu)越、效率更高的產(chǎn)品，讓客戶的工程師不用花更多的時間在電源設(shè)計上下功夫。 另外，該電源參考設(shè)計做了很多的簡化——從傳統(tǒng)的18步分立式設(shè)計流程，演進(jìn)到PowerSoC設(shè)計流程只需要6步;現(xiàn)在的Power SoC參考設(shè)計流程甚至從6步減少到了3步(圖4)。
圖4：電源參考設(shè)計支持產(chǎn)品更迅速面市。
《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 目前，Altera已經(jīng)能夠提供Cyclone V SoC參考設(shè)計，其他的三款28nm參考設(shè)計(Stratix V GX FPGA、Arria V GT FPGA、Cyclone V GX FPGA)正在開發(fā)過程中(圖5)。同時，具備Enpirion電源的Cyclone V SoC開發(fā)套件目前已經(jīng)啟動，而其他三款具備Enpirion電源的開發(fā)套件將會在2014年上半年提供。
圖5：Altera提供的參考設(shè)計。
最后，Mark Davidson補(bǔ)充道：“我們這個電源優(yōu)化的FPGA參考設(shè)計，不僅能讓我們的客戶把更好的產(chǎn)品以更快的時間投放市場，還可以讓Altera在客戶那里的地位更重要。這樣也可以不斷地提高我們的競爭優(yōu)勢。同時，Enpirion的電源器件模塊除了支持我們自己的FPGA之外，也可以和其他處理器放在一塊使用。”
