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为FPGA供电的挑战和应对

麦迪?? EDNC?? 2014年11月07日 ?? 收藏1
“很多电子工程师可能还没有迫切感受到电源对FPGA、处理器、ASIC等设计的制约性,但作为FPGA厂商,我们很清楚电源将越来越成为设计的瓶颈,”日前在谈到电源发展挑战时,ALTERA中国区Enpirion产品高级业务经理张伟超表示:“在为FPGA等器件设计电源时,工程师通常会遇到许多设计两难:市场需求驱使设备生产商在其产品中增加越来越多的特性和功能,希望提供更大的带宽,进一步减小外形封装,并且提高能效。最新的28 nm和20 nm FPGA、处理器或其他SoC都需采用更小尺寸,更高精度的电源管理器件来支持。市面上多数的电源产品都在为更好的解决这些问题而努力,但能权衡多方面性能表现的产品不多。”

为FPGA供电的挑战

集成度以及功率密度越来越高是电源发展的必然趋势,随着系统所集成功能的不断上升,对电源供电也提出更高要求、同时系统中更多模块、接口占据了本就有限的PCB板,如何缩小电源面积,为PCB板节约空间是所有电源模块、电源SoC设计的关键考量因素之一。“在高集成度要求下,设计师需要在电源抗干扰性、转换效率、电路尺寸等方面做出权衡设计。希望能有更好的外围器件,如输入输出电容,来消除纹波、提供稳定的电流电压。希望更高的开关转换频率,来降低外围器件尺寸。当然频率增高会影响开关损耗,使产品散热问题严重,从而影响转换效率。同时,很多设备都涉及高数据传输、RF电路(如4G网络)等,这些电路通常对噪声更为敏感,需要更安静的电源设计。有工程师不得不为此放弃使用开关电源而采用低效的线性电源来降低噪声干扰,但同时也带来系统低效和散热等问题。同样,在为数字负载(FPGA核电压、FPGA接口电压、CPU电压)供电情况下,这些负载电压变化会比较大,需要电源在短时间内有很好的瞬态表现。目前在工业、医疗设备、通信等领域对电源的瞬态效应有很高的要求。这些都是工程师在设计电源时会遇到的实际问题。”张伟超介绍道,“ALTERA此番通过收购引入Enpirion电源,就是看中其能够在多方面解决这些设计困扰。”

Enpirion三项核心技术

据张伟超介绍,Enpirion的电源SoC,能将大部分外围器件集成到芯片内部,允许器件在更高的频率工作,并降低开关损耗。其主要得益于三个核心技术:基于高频开关IC技术,Enpirion可以允许器件工作在更高的频率。通常器件工作频率在500kHz到1MHz之间,Enpirion最高可以允许器件工作在5MHz,高工作频率可以允许外围器件小,从而易于被集成;基于电磁材料工程的核心技术,通常电源模块也会集成电感,但这些电感是市面上通用的产品。而Enpirion对电感的材料和工艺结构都具有专利技术,可以定制化自己的电感,再集成到SoC内部可实现在更高的工作频率下,获得更低的开关损耗,从而维持很好的运作效率,也能实现很好的EMI表现;第三项核心技术是其电源封装和架构技术,在将电源控制器、MOSFET、电感、补偿网络等器件集成到芯片内部时,器件间会相关干扰或影响,如何使器件被集成后仍能保持很好的可靠性及转换效率,实现低纹波、低噪声等性能,都在封装架构中得到进一步的实现。

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Power SoC? FPGA?

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