現場可編程門陣列 （FPGA） 越來越多地用于支持視頻和圖像處理、醫療系統、汽車和航空航天應用以及人工智能 （AI） 和機器學習 （ML） 中的高性能計算。為 FPGA 供電是一項復雜而關鍵的功能，涉及大量和各種電源軌，有些電源軌需要高達 50 安培 （A） 的快速功率。

為了 FPGA 正常工作，電源軌需要導通和關序，需要單調上升和下降，并且需要高電壓精度和快速瞬態響應。此外，提供各種電壓的直流-直流 （DC/DC） 穩壓器需要很小，以便它們可以放置在 FPGA 附近，以最大限度地減少配電線路中的寄生效應，并且它們必須高效以最大限度地減少 FPGA 附近的溫度升高。在某些系統中，DC/DC 穩壓器必須足夠薄，以便安裝在印刷電路板（印刷電路板）的背面。

雖然可以設計具有必要集成數字電源管理的高效率和高性能 DC/DC 穩壓器，但以非常緊湊、扁平的格式實現是一項艱巨的挑戰。它可能導致大量的設計迭代，分散FPGA系統的設計，延遲上市時間并降低系統性能。

FPGA 電源系統設計人員可以轉向經過全面測試和驗證的集成 DC/DC 穩壓器，這些穩壓器將所有組件都包含在緊湊且熱效率高的焊盤柵格陣列 （LGA） 和球柵陣列 （BGA） 封裝中，適合直接與 FPGA 相鄰的集成，以最大限度地提高電源系統（和 FPGA）性能。

本文回顧了FPGA的供電需求，重點關注電壓精度、瞬態響應和電壓排序，并通過工作示例詳細介紹了與熱管理相關的挑戰。然后，本文介紹了適合ADI公司FPGA供電的集成DC/DC穩壓器，包括可安裝在印刷電路板背面的薄型穩壓器，以及用于加速設計過程的評估板和集成建議。

FPGA 電源要求

FPGA 中的內核邏輯、輸入/輸出 （I/O） 電路、輔助電路和收發器等功能需要不同的電源軌。這些通常使用分布式電源架構供電，每個電源軌具有一個或多個 DC/DC 穩壓器，也稱為負載點 （POL） 穩壓器。雖然這些穩壓器大多使用開關模式功率轉換來實現最高效率，但噪聲敏感電路（如收發器）可能需要使用低壓差線性（LDO）穩壓器。

在小型系統中，大容量配電電壓通常為 5 或 12 伏直流 （V 直流 ），可以直接為 POL 供電。在較大的系統中，配電電壓可以是 24 或 48 V 直流 .當使用更高的配電電壓時，使用降壓穩壓器將配電電壓降至5或12 V直流在為 POL 供電的中壓總線上。POL 提供各個 FPGA 電源軌所需的低電壓（圖 1）。每個電源軌都有與精度、瞬態響應、時序和其他參數相關的特定要求。

圖 1：為 FPGA 供電需要多個 POL 穩壓器。（圖片來源：ADI公司）

核心POL通常是FPGA中最關鍵的電源。核心電源可低于 1 V直流具有數十安培的電流，并且通常具有±3%或更高的精度要求，以防止邏輯錯誤。例如，對于內核電壓容差規格為±3%的FPGA，精度為±1.5%的穩壓器可提供另外±1.5%的瞬變。如果POL具有良好的瞬態響應，則將提供穩定的性能。然而，精度為±2%的穩壓器可能難以實現所需的性能。只有±1%可用于瞬態響應，需要增加旁路電容，并可能導致瞬態期間的邏輯誤差。

排序的起伏

除了工作時苛刻的功率要求外，FPGA 還需要各種電源軌以特定順序以精確的時序打開和關閉。現代 FPGA 通常將許多電源軌組織成幾組，可以一起打開和關閉。例如，英特爾的Altera Arria 10FPGA將電源域組織為三組。這些組必須按從組 1（有 6 個電壓軌）到組 2（也是 6 個電壓軌）再到組 3（3 個電源軌）的順序上電，然后按相反的順序斷電，以防止損壞 FPGA（圖 2）。

圖 2：FPGA 要求按特定順序上電和斷電軌。（圖片來源：ADI公司）

保持涼爽

由于如此多的穩壓器放置在FPGA附近，因此熱管理是一個問題。ADI公司將印刷電路板放在一起，以演示使用多個穩壓器時的一些熱管理選項（圖3）。熱性能受調壓閥的相對位置、氣流的方向和量以及環境溫度的影響。

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圖 3：并聯穩壓器的熱管理演示板。(圖片來源：ADI公司)

對于第一個比較，在演示板上的七個位置測量溫度;位置 1 到 4 顯示模塊的表面溫度，位置 5 到 7 顯示印刷電路板上的表面溫度(圖 4)。在這兩種熱像儀中，與僅在兩側散熱的中央模塊相比，外部模塊都更冷，這得益于使用三面印刷電路板區域提供的散熱器增加。氣流也很重要。在左側熱像儀中，有 200 線性英尺/分鐘 (LFM) 的氣流來自印刷電路板底部，而右側圖像中沒有氣流。帶氣流的模塊和印刷電路板的溫度約為 20°C。

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圖 4：增加 200 LFM 的氣流可顯著降低模塊和印刷電路板溫度(左)。(圖片來源：ADI公司)

氣流方向和環境溫度也很重要。從右到左使用 400 LFM 氣流將熱量從一個模塊推到另一個模塊，結果最冷的模塊在右邊，中間的模塊最熱，左邊的模塊在兩者之間(圖 5，左)。為了嘗試補償較高的環境溫度，在工作溫度為75°C的模塊上放置了散熱器。 在這種極端條件下，即使有額外的散熱器，模塊的溫度也會明顯更高(圖 5，右)。

圖 5：50°C(左)和 75°C(右)環境溫度的影響，400 LFM 氣流從右到左穿過印刷電路板。(圖片來源：ADI公司)

用于背面安裝的 LGA 和 BGA 封裝

LTM4601 系列的 12 A 連續(峰值 14 A)降壓型 DC/DC 穩壓器為設計人員提供了 15 × 15 × 2.82 mm (mm) LGA 或 15 × 15 × 3.42 mm BGA 封裝的選項。它們的輸入電壓范圍為 4.5 至 20 V直流 可提供 0.6 至 5 V 的輸出直流 具有輸出電壓跟蹤和裕量調節功能。它們具有 ±1.5% 的調節率和 35 mV 的峰值偏差，動態負載變化范圍為 0% 至 50% 和滿負載的 50% 至 0%，建立時間為 25 微秒 (μs)。

這些穩壓器可帶或不帶板載差分遠端檢測放大器，可用于精確調節輸出電壓，而與負載電流無關。例如， LTM4601IV#PBF 在 LGA 中，并且 LTM4601IY#PBF 采用 BGA 格式，均具有板載差分遠端檢測放大器。不需要板載放大器的應用可以使用 LTM4601IV-1#PBF 在 LGA 或 LTM4601IY-1#PBF 在 BGA 中。這些模塊是完整的 DC/DC 穩壓器，只需輸入和輸出電容器即可滿足特定的設計要求(圖 6)。這些模塊的外形小巧，可以安裝在印刷電路板的背面。

圖 6：μModule 穩壓器是采用耐熱增強型封裝的完整電源轉換器。（圖片來源：ADI公司）

ADI公司提供DC1041A-A演示電路，用于加速LTM4601穩壓器的評估。其輸入電壓范圍為 4.5 至 20 V 直流 ，以及一個可選擇跳線和可編程的輸出電壓，以巧合地或按比例跟蹤另一個模塊的輸出。

超薄穩壓器

ADI公司的16×11.9 mm LGA封裝的1.82 mm高度 LTM4686 使這些雙通道 10 A 或單通道 20 A 穩壓器能夠放置在足夠靠近 FPGA 的位置，以便器件可以共享一個公共散熱器，從而簡化熱管理。此外，這些穩壓器安裝在印刷電路板的背面。使用 PMBus 協議的集成數字電源管理支持遠程配置和實時監控輸出電流、電壓、溫度和其他參數。這些穩壓器支持兩個輸入電壓范圍;這 LTM4686IV#PBF 工作電壓范圍為 4.5 至 17 V直流，以及 LTM4686IV-1#PBF 從 2.375 到 17 V直流.LTM4686模塊支持0.5至3.6 V輸出直流 最大輸出誤差±0.5%。這些穩壓器可在 1 V 電壓下提供 18 A 電流直流 從 5 V直流 在 +85°C 環境溫度下輸入，氣流為 400 LFM。

設計師可以使用 DC2722A 演示電路與LTpowerPlay軟件相結合，以探索LTM4686模塊的功能。為了僅評估穩壓器，可以使用默認設置打開DC2722A，而無需PMBus通信。通過添加軟件和PMBus加密狗，設計人員可以探索完整的數字電源管理功能，包括動態重新配置器件和查看遙測信息。

電路板布局注意事項

雖然并聯μModule穩壓器為FPGA供電時幾乎沒有電氣考慮因素，但與間距、過孔、接地層和氣流相關的參數非常重要。幸運的是，LGA 封裝的設計簡化了電源和接地層的布局，并為印刷電路板提供了牢固的熱連接。放置四個并聯μModule穩壓器只需重復LGA封裝即可（圖7）。除了異常具有挑戰性的環境外，熱增強型封裝以及電源層通常為模塊提供足夠的冷卻。

圖 7：μModule 穩壓器的 LGA 占位面積簡化了多個模塊的并聯，并支持增強的熱性能。（圖片來源：ADI公司）

結論

為了支持高性能計算應用，FPGA 需要精確高效的電源管理以及快速響應時間。為FPGA中的眾多電壓軌供電是一項復雜的挑戰，可以使用ADI公司的集成μModule DC/DC穩壓器來應對。這些穩壓器還提供緊湊且易于集成的封裝所需的電氣和熱性能。

審核編輯 黃昊宇