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FPGA系统的供电要求和最新DC/DC稳压器解决方案

作者:凌力尔特公司 Afshin Odabaee: EDN China?? 2008年06月24日 ?? 收藏0

  上述方法有助于设计噪声较低的开关模式负载点稳压器解决方案,不过如果在设计之初就确定了合适的结构、功能和布局,则能大大减少噪声问题。这种稳压器能最大限度降低对电容、滤波和电磁干扰(EMI)屏蔽的依赖。

  4. 精调电压和改善空气流动

  当FPGA或FPGA的外围IC被组装到一个完整的系统中之后,它们的性能可能与在实验室工作台上单独测试得到的性能有所不同。焊料类型、温度、PCB布线、走线阻抗、装配流程等都会影响器件的性能。例如,如果FPGA内核的电压被调节在一个非预期的电压上,内核运行速度就会下降,导致系统的计算能力下降。

  因此,工程师在质检或装配期间评估器件性能时,要求器件能以很小的步长提高或降低输出电压,这个功能被称为余量功能(margining)。在前面例子中,内核电压可以调高,以便使FPGA的工作频率达到期望值。余量功能还可以帮助系统制造商提高生产高总产量。

  人们希望基于FPGA的系统在增加功能、存储容量或计算能力的同时缩小尺寸,这促使设计工程师改善器件散热的方法,其中一个简单方法是在器件上方实现有效的空气流动。封装高的器件阻碍了FPGA或存储器这类封装薄的器件上方的空气流动。预装配的DC/DC负载点稳压器引起的空气阻塞问题非常严重,因为这些器件的高度是FPGA和其它IC高度的6至10倍。

  FPGA较薄的BGA封装非常有用,因为可以从封装顶部高效率地散出内部产生的热量。当一个较高的器件(如预装配的DC/DC稳压器)阻碍空气流动,并紧靠FPGA器件时,FPGA的这种优点就无法发挥出来。

  新一代DC/DC系统:?Module稳压器

  凌力尔特公司完整的开关模式DC/DC系统包括片上MOSFET、电感、电容、DC/DC控制器和补偿电路,类似一个表面贴IC,走线简单,只需几个大容量电容和一个电阻来设置输出电压。这个DC/DC系统可以预组装,并已考虑到了合理的布线和封装,以实现最佳的电气和热性能。DC/DC开关模式架构采用电流模式,其快速的瞬态响应特性有助于最大限度地减小所需的输出电容。这个DC/DC系统与外部时钟同步,因此多个系统可以并联起来以提供大电流,同时最大程度地减小开关噪声干扰和输出纹波噪声。这些新型DC/DC稳压器采用微小、轻型的表面贴封装,以使电路板组装更紧凑、更简单。封装的高度很低,以便于空气在该系统和有关IC的上方流动。

  凌力尔特公司将这个新一代的DC/DC系统称作?Module稳压器。?Module稳压器包含一系列器件,输出电流范围为6A至12A、输入电压为4.5V至28V、输出电压为0.6V至5V。有些功能丰富的?Module稳压器还具有跟踪等功能,这样具有多个电源轨的FPGA系统可实现正确的上电和断电。它的电感也进行了屏蔽,能最大限度地减小EMI。由于?Module稳压器具有余量功能,所以系统设计工程师可以准确地调节电压,除了在组装和测试期间提高产量外,还可以提高FPGA和系统其它部分的性能。

  图1采用LTM4601、4层PCB设计的四输出103W ?Module DC/DC系统。这个解决方案利用8V至16V中间总线输入产生4种输出:1.5V/12A、1.8V/12A、2.5V/12A和3.3V/10A。图2是简化的方框图。4个LTM4601单元的相位锁定到四输出、四相振荡器LTC6902上,LTC6902产生90o交错的时钟信号以减小噪声和纹波。图3给出了这个简单、紧凑的解决方案的效率。特别值得一提的是,该解决方案无需散热器。

包括基于FPGA设计所需的所有功能的四输出103W DC/DC系统简化方框图

图1:包括基于FPGA设计所需的所有功能的四输出103W DC/DC系统简化方框图。

图1电路中的每个输出的效率

图2:图1电路中的每个输出的效率。

  本文小结

  凌力尔特公司在DC/DC稳压器架构和封装方面的创新使新一代负载点解决方案能够满足FPGA系统更严格的要求。?Module DC/DC稳压器系列包括6种产品,具有多种功率级别和功能。?Module DC/DC解决方案非常可靠,这为多芯片封装器件树立了新的性能标准,为新一代FPGA和基于FPGA的系统更精细地提高性能铺平了道路。


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