現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的起源可以追溯到20世紀(jì)80年代,，從可編程邏輯器件(PLD)演變而來(lái)。自此之后,，F(xiàn)PGA資源,、速度和效率都得到快速改善，使FPGA成為廣泛的計(jì)算和處理應(yīng)用的首選解決方案，特別是當(dāng)產(chǎn)量不足以證明專(zhuān)用集成電路(ASIC)的開(kāi)發(fā)成本合理有效時(shí),。FPGA取得快速發(fā)展，并廣泛用于大規(guī)模部署,。例如,，繼2013年試點(diǎn)項(xiàng)目中使用FPGA成功加快Bing搜索引擎的速度之后,，Microsoft?將配備FPGA的服務(wù)器使用范圍擴(kuò)展到云數(shù)據(jù)中心。

FPGA電源系統(tǒng)要求

FPGA需要幾個(gè)不同的低壓供電軌,，每個(gè)供電軌都有自己的電壓和電流規(guī)格,，以便為其內(nèi)核邏輯、I/O電路,、輔助邏輯,、收發(fā)器和存儲(chǔ)器供電。這些供電軌可能需要按特定的順序開(kāi)啟和關(guān)閉,，以避免損壞FPGA,。負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器將電路板較高的輸入電源電壓降低為FPGA所需的多個(gè)輸入電壓。當(dāng)功率轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要時(shí),，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可用作POL穩(wěn)壓器,，而線(xiàn)性穩(wěn)壓器（例如低壓差(LDO)穩(wěn)壓器）則用于噪聲敏感型電路，例如PLL和收發(fā)器,。

典型的電路板輸入電壓為5 V,、12 V、24 V和48 V,，F(xiàn)PGA的輸入電壓范圍則為低于1 V至約3 V,。對(duì)于高輸入電壓（12 V、24 V,、48 V）,，可能需要使用額外的降壓穩(wěn)壓器來(lái)生成饋送給POL穩(wěn)壓器的中間總線(xiàn)電壓（參見(jiàn)圖1）。在FPGA供電軌中,，核電壓需要最低的電壓（約等于或低于1 V）和最高的精度（±3%或更優(yōu)）,，電流電平約為幾十安培，具體取決于FPGA資源的利用率,。為了防止出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤,，不僅在直流條件下，而且在FPGA電流瞬態(tài)期間,，電壓波動(dòng)都需要按照FPGA供電軌公差規(guī)格要求控制在幾十毫伏之內(nèi),。電源的直流精度越差，在瞬態(tài)條件下維持可用電源電壓所需的旁路電容就越多,。例如,，假設(shè)采用±3%內(nèi)核電壓公差規(guī)格。使用精度為±1%的直流電源時(shí),，對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)公差為±2%,。直流電源的精度較低(±2%)時(shí)，瞬態(tài)公差會(huì)更嚴(yán)格(±1%),，相比之前的示例,，需要更多的旁路電容,。

圖1.一種可行的FPGA電源樹(shù)設(shè)計(jì)：高壓輸入電源（例如12 V、24 V或48 V）降至中間總線(xiàn)電壓,，

然后饋送給為FPGA供電的POL穩(wěn)壓器,。

在最終進(jìn)行設(shè)計(jì)變更、在另一種應(yīng)用中重用設(shè)計(jì),、實(shí)施板裕量測(cè)試,，以及在開(kāi)發(fā)或現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)功耗時(shí)，都需要基于默認(rèn)的設(shè)定點(diǎn)調(diào)整或微調(diào)FPGA電源電壓電平,。在這種情況下,，在電源反饋網(wǎng)絡(luò)中采用多個(gè)不同電阻并聯(lián)不是最快或最可行的解決方案。實(shí)現(xiàn)電壓微調(diào)的一種方法是使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來(lái)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓器的反饋網(wǎng)絡(luò)（參見(jiàn)圖2）,。需要為微調(diào)程序編寫(xiě)軟件代碼,，從模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)獲取電源電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，以計(jì)算正確的DAC代碼,，然后緩慢將DAC輸出調(diào)節(jié)至計(jì)算出的數(shù)字碼,，逐步穩(wěn)定提高電源電壓，在不會(huì)產(chǎn)生毛刺或過(guò)沖的情況下達(dá)到目標(biāo)電壓電平,。這種微調(diào)程序需要重復(fù)實(shí)施,，以確保不會(huì)因?yàn)榻M件隨時(shí)間或溫度變化出現(xiàn)偏移,，進(jìn)而導(dǎo)致電源偏離目標(biāo)電壓,。

圖2.使用DAC和ADC將POL電源輸出電壓微調(diào)至目標(biāo)電壓。

監(jiān)測(cè)FPGA電源電壓,、電流和故障條件,，對(duì)于理解系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的健康狀況和功耗至關(guān)重要，這是因?yàn)?，F(xiàn)PGA是整個(gè)電子系統(tǒng)的核心,。將這種理解和微調(diào)功能結(jié)合起來(lái)，可以避免為最壞的情況設(shè)計(jì)電源,，從而節(jié)省成本和功率,。此外，潛在的系統(tǒng)故障可能表現(xiàn)為FPGA功耗異常,，從而在電路板或系統(tǒng)發(fā)生故障之前讓主機(jī)控制器或維修人員及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,。電壓監(jiān)測(cè)需要使用ADC，而電流監(jiān)測(cè)還需要使用電平偏移電路將高電平電流檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為接地基準(zhǔn)電壓,；例如,，如圖3所示，通過(guò)使用跨導(dǎo)放大器,。

圖3.用于監(jiān)測(cè)POL電源輸出電壓,、電流和功率的一種分立式電路可行方案,。

雖然我們還未探討故障管理，但看了這一長(zhǎng)串要求之后,，您可能已頭暈?zāi)X脹,。當(dāng)POL輸出出現(xiàn)欠壓或過(guò)壓時(shí)，即在有效的電壓窗口范圍外時(shí),，會(huì)出現(xiàn)什么情況,？應(yīng)該只關(guān)閉故障電源？還是應(yīng)該也關(guān)閉其他電源,？如何消除導(dǎo)致系統(tǒng)板關(guān)斷的故障,？

我們可以看到，F(xiàn)PGA的電源系統(tǒng)管理很快會(huì)變得非常復(fù)雜,，從而分散對(duì)基本的FPGA應(yīng)用的關(guān)注,。注意，F(xiàn)PGA的電源樹(shù)只是數(shù)字處理電路板上整個(gè)電源系統(tǒng)的一部分,。上述大部分要求也適用于其他數(shù)字器件,，例如ASIC、DSP,、GPU,、SoC和微處理器。我們所需的是一個(gè)簡(jiǎn)單,、可擴(kuò)展且靈活的電源系統(tǒng)管理解決方案,。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理

ADI公司提供數(shù)字電源系統(tǒng)管理(DPSM)器件產(chǎn)品，以滿(mǎn)足數(shù)字處理電路板中復(fù)雜的電源系統(tǒng)要求,。DPSM器件可提供或不提供集成DC/DC轉(zhuǎn)換,，以替代POL穩(wěn)壓器，或者與現(xiàn)有的POL穩(wěn)壓器配合使用,。電源系統(tǒng)管理器不提供DC/DC轉(zhuǎn)換,，對(duì)于由開(kāi)關(guān)或LDO穩(wěn)壓器構(gòu)成的現(xiàn)有模擬電源系統(tǒng)，可增加數(shù)字監(jiān)測(cè)和控制功能,。使用單個(gè)器件（例如LTC2980）,，可對(duì)16個(gè)POL穩(wěn)壓器實(shí)施微調(diào)、裕量調(diào)節(jié),、監(jiān)測(cè),、時(shí)序控制、電源監(jiān)控,、故障記錄和故障管理,。可以混合和匹配使用不同通道數(shù)器件（2、4,、8或16個(gè)通道）,，以管理數(shù)百個(gè)供電軌。雙通道LTC2972 是該系列的最新產(chǎn)品,，它提供了一種簡(jiǎn)單的入門(mén)解決方案,，可監(jiān)測(cè)和控制此類(lèi)電源系統(tǒng)中兩個(gè)最重要的供電軌； 例如,，F(xiàn)PGA內(nèi)核供電軌和輔助供電軌,。

雙通道電源系統(tǒng)管理器

LTC2972是一款雙通道電源系統(tǒng)管理器，為FPGA,、ASIC和處理器電路板增加了基于軟件的全面監(jiān)測(cè),、控制和黑盒故障記錄功能，可加快產(chǎn)品上市,，提升系統(tǒng)可靠性,，以及優(yōu)化電路板功耗（圖4）。使用出色的16位ADC對(duì)POL電源輸出電壓實(shí)施微調(diào),、裕量調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè),，總非調(diào)整誤差(TUE)為0.25%，以提升電路板的功率和長(zhǎng)期性能,。因?yàn)槟軌驀?yán)格控制POL輸出電壓,，實(shí)現(xiàn)±0.25%的精度，所以在負(fù)載瞬態(tài)（在±3% FPGA供電軌規(guī)格下,，精度為±2.75%）期間有很大的裕量,，從而大幅減少所需的旁路電容并釋放電路板空間。電源輸出電流使用檢測(cè)電阻,、電感DCR,，或者電源的IMON輸出進(jìn)行測(cè)量,。電壓和電流測(cè)量值在內(nèi)部進(jìn)行乘法運(yùn)算,，提供POL輸出功率讀數(shù)。

圖4.LTC2972是一款雙通道電源系統(tǒng)管理器,，提供中間總線(xiàn)電源監(jiān)測(cè)和POL輸出功率監(jiān)測(cè)

LTC2972內(nèi)置電源時(shí)序控制,、監(jiān)控和EEPROM故障記錄功能。通過(guò)將時(shí)間延遲寫(xiě)入內(nèi)部寄存器或使用級(jí)聯(lián)電源良好信號(hào)來(lái)完成時(shí)序控制,。當(dāng)POL輸入電壓,、輸出電壓和溫度以數(shù)字方式偏離可設(shè)置閾值上下限時(shí)，專(zhuān)用快速比較器發(fā)出故障信號(hào),。故障觸發(fā)EEPROM黑盒記錄,，簡(jiǎn)化故障分析，并提供有關(guān)未來(lái)系統(tǒng)改進(jìn)的相關(guān)見(jiàn)解。第一個(gè)故障命令提供關(guān)于系統(tǒng)故障原因的更多信息,。故障信息可靈活傳播到其他電源或其他DPSM器件,。

LTC2972支持對(duì)POL轉(zhuǎn)換器的中間總線(xiàn)輸入實(shí)施電壓、電流,、功率和電能監(jiān)控,。為了管理、優(yōu)化和降低電路板功耗,，進(jìn)而降低服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的散熱和公用設(shè)施成本,，必須監(jiān)測(cè)電路板功率和電能使用狀況。LTC2972通過(guò)PMBus接口（與電源管理和轉(zhuǎn)換器件通信的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）方便地提供輸出電能（單位：焦耳）和運(yùn)行時(shí)間,，以減少繁重的輪詢(xún)和計(jì)算任務(wù),。將LTC2972與POL輸出電壓、電流和功率這些數(shù)字測(cè)量值結(jié)合使用,，就可以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率,。

每個(gè)通道都配有可編程電源良好引腳或通用輸入/輸出(GPIO)引腳。LTC2972與其他電源系統(tǒng)管理器連接,，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)以上供電軌的時(shí)序和故障管理,。使用通過(guò)I2C/SMBus接口傳輸?shù)募嫒軵MBus命令，可對(duì)電源系統(tǒng)實(shí)施靈活編程和數(shù)據(jù)回讀,。配置在支持ADI所有DPSM產(chǎn)品的LTpowerPlay?開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成（參見(jiàn)圖5）,。采用所需的應(yīng)用特定配置進(jìn)行內(nèi)部EEPROM編程后，就無(wú)需為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行而編寫(xiě)軟件代碼,。

圖5.適用于DPSM產(chǎn)品的LTpowerPlay開(kāi)發(fā)環(huán)境：無(wú)需為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行而編寫(xiě)代碼,。

結(jié)論

FPGA廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)，甚至取代ASIC,，但其周?chē)哂袕?fù)雜的電源系統(tǒng),。ADI公司提供多種DPSM產(chǎn)品來(lái)幫助簡(jiǎn)化電源系統(tǒng)管理。如果您以前從未用過(guò)DPSM,，您可以試試LTC2972,，這是一款入門(mén)級(jí)產(chǎn)品，能夠解決數(shù)字處理電路板上復(fù)雜的電源系統(tǒng)問(wèn)題,。 

作者簡(jiǎn)介

Pinkesh Sachdev是ADI公司的電源系統(tǒng)管理(PSM)產(chǎn)品應(yīng)用工程師,。他擁有印度理工學(xué)院（印度孟買(mǎi)）電氣工程學(xué)士學(xué)位以及斯坦福大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。