适用于 FPGA、GPU 和 ASIC 系统的电源管理

分析和解决问题的负担常常落在系统设计师的肩上。配置设计方案复杂的数字部分已经占据了这些设计师的大部分精力。因此处理设计方案的模拟和电源部分就成了重要挑战，因为电源并非如很多设计师所预期的那样是个简单的任务。

在FPGA、GPU或ASIC控制的系统板上，仅有为数不多的几种电源管理相关的设计挑战，但是由于要反复调试，所以这类挑战可能使系统的推出时间严重滞后。不过，假如特定设计或类似设计已经得到电源产品供应商以及FPGA、GPU和ASIC制造商的验证，就可以防止很多电源和DC/DC调节问题。周全的电源管理从一开始就很有挑战性所有设计任务一开始都很有挑战性，例如为一个包含收发器、内存模块、传感器、线路连接器以及网状PCB走线和多层PCB平面的复杂系统设计电源管理方案。不过，杂乱无章地使用DC/DC稳压器、电容器、电感器、散热器和其他散热措施以及组件布局来应对电源管理设计可能会导致后续设计问题。假如系统设计师匆忙决定选择较差的解决方案，那么后来可能出现调试工作进行不下去的情况。从哪里开始电源管理设计以一种系统化和考虑周全的设计方式，可以很有把握地开始任何电源管理电路的设计。换句话说，在PCB组装之前，假如分析是准确的，解决了电源管理相关的设计挑战，那么就可以简化电源管理电路的设计。另外，电源管理指南给出的电路经过测试和验证，满足FPGA、ASIC、GPU和微处理器以及采用这些及其他数字组件的系统之要求。利用经过验证的电源管理解决方案设计电源管理电路，将确保项目从一开始就很有把握。这是让设计方案从原型阶段快速进入生产阶段的关键，因为这样可以节省电源调试时间。一个很好的例子：给Arria10FPGA和Arria10SoC供电系统开发人员可以使用FPGA开发工具评估FPGA，而无须设计一个完整的系统。图1和图2显示了Altera公司新的20nmArria10FPGA和Arria10SoC(片上系统)开发电路板。这些电路板经过Altera公司的测试和验证，列举了有关布局、信号完整性和电源管理的最佳设计实践。

图1：Arria10GXFPGA开发套件电路板图2：Arria10SoC开发套件电路板

面向内核、系统和I/O的电源管理。面向Arria10等高端FPGA的电源管理解决方案应该谨慎选择。一个经过精心计划的电源管理设计可以减小PCB尺寸、减轻重量并降低复杂性，同时降低功耗和冷却成本。这对优化系统性能而言是必不可少的。例如，为图1中Arria10GXFPGA的内核供电的12VDC/DC稳压器供应0.95V/105A，该DC/DC稳压器有几个特点，对SoC的省电方法起到了补充作用：Arria10的SmartVID运用DC/DC稳压器中集成的6位并联VID接口来控制DC/DC稳压器，在静态和动态情况下降低了FPGA功耗。DC/DC稳压器运用DCR值非常低的电流检测方法，通过最大限度降低电感器中的功耗，提高了效率。温度补偿在电感器温度较高时保持准确度或DCR值不变。表1概述了图1所示Arria10开发套件电路板的电源轨和功能。该表列出了凌力尔特公司的器件，并描述了每种器件的功能。表1：图1所示Arria10GXFPGA开发套件电路板的电源管理电路材料清单用LTpowerPlanner设计工具定制电源树假如开发套件中列举的设计不能满足自己的电源要求怎么办?在这种情况下，可以用基于PC的LTpowerPlanner工具来实现系统电源树的个性化和优化。从开发套件中给出的建议着手然后容易地重新组织电源构件、改变电源额定值、计算效率和功耗、仿真每个电源构件、选择DC/DC稳压器器件型号并验证定制解决方案。LTpowerPlanner用来产生满足Arria10开发套件中FPGA要求及系统要求的电源树(图3)，是用途更广泛的LTpowerCAD设计工具之一。

图3：用于Arria10GXFPGA电路板(图1)的电源树。用LTpowerPlanner设计，该软件是一款分析性和简便易用的初步设计工具以用来映射电源要求。

LTpowerCAD可帮助用户：选择具体的凌力尔特DC/DC稳压器，以与给定电源性能规格匹配选择合适的电源组件(例如:电感器、电阻器和电容器)优化效率和功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方案输出到LTspice结论我们可以有把握地开始电源管理电路布局。使用LTPowerCAD和LTPowerPlanner这类工具，可以大大简化对负载点稳压器以及各部分分析结果的映射任务。为了举例说明这些优势，本文采用了用于AlteraArria10FPGA和SoC以及其他AlteraFPGA(包括电源树和材料清单)的开发套件设计指南。