現(xiàn)場可編程門陣列（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,。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)量不足以證明專用集成電路（ASIC）的開發(fā)成本合理有效時,。

　　FPGA電源系統(tǒng)要求

　　FPGA需要幾個不同的低壓供電軌,，每個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)器和存儲器供電,。這些供電軌可能需要按特定的順序開啟和關(guān)閉,，以避免損壞FPGA。負(fù)載點（POL）穩(wěn)壓器將電路板較高的輸入電源電壓降低為FPGA所需的多個輸入電壓,。當(dāng)功率轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要時，開關(guān)穩(wěn)壓器可用作POL穩(wěn)壓器,，而線性穩(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)壓器來生成饋送給POL穩(wěn)壓器的中間總線電壓（參見圖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)邏輯錯誤,，不僅在直流條件下,，而且在FPGA電流瞬態(tài)期間，電壓波動都需要按照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,，對應(yīng)的瞬態(tài)公差為±2%。直流電源的精度較低（±2%）時,，瞬態(tài)公差會更嚴(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電源樹設(shè)計：高壓輸入電源（例如12 V,、24 V或48 V）降至中間總線電壓，然后饋送給為FPGA供電的POL穩(wěn)壓器,。

　　在最終進(jìn)行設(shè)計變更,、在另一種應(yīng)用中重用設(shè)計、實施板裕量測試,，以及在開發(fā)或現(xiàn)場運(yùn)行期間動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)功耗時,，都需要基于默認(rèn)的設(shè)定點調(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)中采用多個不同電阻并聯(lián)不是最快或最可行的解決方案,。實現(xiàn)電壓微調(diào)的一種方法是使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）來驅(qū)動穩(wěn)壓器的反饋網(wǎng)絡(luò)（參見圖2）。需要為微調(diào)程序編寫軟件代碼,，從模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）獲取電源電壓測量數(shù)據(jù),，以計算正確的DAC代碼，然后緩慢將DAC輸出調(diào)節(jié)至計算出的數(shù)字碼,，逐步穩(wěn)定提高電源電壓,，在不會產(chǎn)生毛刺或過沖的情況下達(dá)到目標(biāo)電壓電平。這種微調(diào)程序需要重復(fù)實施,，以確保不會因為組件隨時間或溫度變化出現(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FPGA電源電壓,、電流和故障條件，對于理解系統(tǒng)在不同場景下的健康狀況和功耗至關(guān)重要,，這是因為,，F(xiàn)PGA是整個電子系統(tǒng)的核心。將這種理解和微調(diào)功能結(jié)合起來,，可以避免為最壞的情況設(shè)計電源,，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)問題。電壓監(jiān)測需要使用ADC，而電流監(jiān)測還需要使用電平偏移電路將高電平電流檢測電壓轉(zhuǎn)換為接地基準(zhǔn)電壓,；例如,，如圖3所示，通過使用跨導(dǎo)放大器,。

　　圖3. 用于監(jiān)測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)欠壓或過壓時,，即在有效的電壓窗口范圍外時,，會出現(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)管理很快會變得非常復(fù)雜,，從而分散對基本的FPGA應(yīng)用的關(guān)注。注意,，F(xiàn)PGA的電源樹只是數(shù)字處理電路板上整個電源系統(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,。我們所需的是一個簡單、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,，對于由開關(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)測和控制功能。使用單個器件（例如 LTC2980）,，可對16個POL穩(wěn)壓器實施微調(diào),、裕量調(diào)節(jié)、監(jiān)測、時序控制,、電源監(jiān)控,、故障記錄和故障管理?？梢曰旌虾推ヅ涫褂貌煌ǖ罃?shù)器件（2,、4、8或16個通道）,，以管理數(shù)百個供電軌,。雙通道 LTC2972是該系列的最新產(chǎn)品，它提供了一種簡單的入門解決方案,，可監(jiān)測和控制此類電源系統(tǒng)中兩個最重要的供電軌,；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,、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POL電源輸出電壓實施微調(diào)、裕量調(diào)節(jié)和監(jiān)測,，總非調(diào)整誤差（TUE）為0.25%,，以提升電路板的功率和長期性能。因為能夠嚴(yán)格控制POL輸出電壓,，實現(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電阻、電感DCR,，或者電源的IMON輸出進(jìn)行測量,。電壓和電流測量值在內(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,，提供中間總線電源監(jiān)測和 POL輸出功率監(jiān)測。

　　LTC2972內(nèi)置電源時序控制,、監(jiān)控和EEPROM故障記錄功能,。通過將時間延遲寫入內(nèi)部寄存器或使用級聯(lián)電源良好信號來完成時序控制,。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,，專用快速比較器發(fā)出故障信號,。故障觸發(fā)EEPROM黑盒記錄，簡化故障分析,，并提供有關(guān)未來系統(tǒng)改進(jìn)的相關(guān)見解,。第一個故障命令提供關(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POL轉(zhuǎn)換器的中間總線輸入實施電壓,、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)測電路板功率和電能使用狀況,。LTC2972通過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)行時間，以減少繁重的輪詢和計算任務(wù),。將LTC2972與POL輸出電壓,、電流和功率這些數(shù)字測量值結(jié)合使用，就可以長期監(jiān)測電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率,。

　　每個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，可實現(xiàn)兩個以上供電軌的時序和故障管理,。使用通過 I2C/SMBus 接口傳輸?shù)募嫒軵MBus命令,，可對電源系統(tǒng)實施靈活編程和數(shù)據(jù)回讀。配置在支持ADI所有DPSM產(chǎn)品的 LTpowerPlay開發(fā)環(huán)境下完成（參見圖5）,。采用所需的應(yīng)用特定配置進(jìn)行內(nèi)部EEPROM編程后,，就無需為實現(xiàn)自動運(yùn)行而編寫軟件代碼。

　　圖5. 適用于DPSM產(chǎn)品的LTpowerPlay開發(fā)環(huán)境：無需為實現(xiàn)自動運(yùn)行而編寫代碼,。

　　FPGA廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)，甚至取代ASIC,，但其周圍具有復(fù)雜的電源系統(tǒng),。ADI公司提供多種DPSM產(chǎn)品來幫助簡化電源系統(tǒng)管理。如果您以前從未用過DPSM,，您可以試試LTC2972,，這是一款入門級產(chǎn)品，能夠解決數(shù)字處理電路板上復(fù)雜的電源系統(tǒng)問題,。

　　LTC2972

　　對兩個電源進(jìn)行排序,、微調(diào),、裕量設(shè)置和監(jiān)控

　　管理故障、監(jiān)控遙測

　　符合 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的命令集

　　受 LTpowerPlay GUI 支持

　　在目標(biāo)的 0.25% 范圍內(nèi)對電源進(jìn)行裕量設(shè)置和微調(diào)

　　監(jiān)控輸入電流 （±1%） 和積累電能

　　每個通道具有快速 OV/UV 監(jiān)控器

　　在多個 ADI PSM 器件之間協(xié)調(diào)排序和故障管理

　　自動將故障記錄到內(nèi)部 EEPROM 中

　　可自主運(yùn)行,，無需額外的軟件

　　可配置電源正常輸出引腳

　　準(zhǔn)確監(jiān)控輸出電壓,、輸出電流、溫度以及輸入電壓和電流

　　1.8V 到 3.3V I2C/SMBus 串行接口

　　直接連接到穩(wěn)壓器 IMON 引腳

　　可由 3.3V 或 4.5V 到 15V 的電源供電

　　采用 44 引腳 6mm × 7mm QFN 封裝

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