Altera电源优化的FPGA参考设计降低电源设计难度

FPGA是一种非常复杂的数字处理器，并且其中还包含了高性能的模拟器件，因此，如何给它提供电流非常具有挑战性。另外，Stratix10系列FPGA采用了14nm工艺，这意味着电源必须是高性能的，而且设计难度也非常大。 今年5月份，Altera公司并购了电源公司Enpirion，该公司以设计体积小、效率高、容易使用、高可靠性的电源电路板而出名。前不久，该公司推出了面向Cyclone V SoC优化的第一款参考设计（图1）。Altera公司电源业务部市场总监Mark Davidson介绍说，收购Enpirion之后，Altera和Enpirion成为了一个整体公司，这样就可以更好地利用其在电源和在FPGA方面的专业知识。将两个公司的专业知识结合在一起设计解决方案，是这两个公司以前没有办法提供的。

图1：电源优化的FPGA参考设计。
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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 该电源解决方案提高了效率，缩短了开发时间，减小了电路板面积，降低了BOM成本。它运用了一套模拟设计流程，能够实现很高的开关频率和很高的效率。电感对DC-DC转换器来说非常重要，该参考设计运用了磁性工程学的知识，可以在很小的面积内实现很强的电流。 同时，这款完整的电源解决方案，也实现了很高的可靠性（图2）。

图2：Enpirion实现了独特的电源优势。
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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 该参考设计在引脚布局上减小了50%，功耗降低了35%；其控制环路通过控制FPGA电压精度，带来优异的瞬变性能，使得大容量去耦电容的使用减少了50%；其低噪声和低纹波特性，使得它能够高效地为收发器和锁相环（PLL）供电；通过减少元器件数量，该电源提高了可靠性，降低了生命周期成本。 图3显示了Cyclone V SoC参考设计获得的一些实际成果。图中所示之前和之后的电路，是使用以前的开发套件与具有Enpirion电源转换的新的开发套件所做的比较。图中的七个电路是Enpirion的powerSoC。从图中可以看到，器件面积减少了50%，总体面积缩小了22%。除了变小之外，它的效率更高了，功耗降低了35%。同时，FPGA在使用新技术后，电容数量减少了50%（打叉划掉的五个电容是不再需要的电容数量，每一个电容约为50美分，又花钱又占电路板面积）。

图3：Cyclone V SoC参考设计减小了系统体积，降低了功耗，减少了大电容。
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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 目前，该Cyclone V SoC电源参考设计可下载的设计包包括：开始设计所需要的信息、原理图、每一电源组件的Gerber文件、完整的物料清单（BOM）列表和应用笔记。未来，Altera还将增加更多的参考设计提供给客户。 Altera在收购了Enpirion公司以后，比以前两家独立的公司提供了更多的创新，包括：最大开关频率 + 集成电感 = 最少的大容量去耦电容，保证了FPGA性能；减少去耦电容 = 降低成本 + 更小的体积；提高集成度 + 减少元器件数量 = 更高的可靠性，更低的总成本。Mark Davidson表示，通过把电源、FPGA系统工程、电路板布局以及信号完整性领域的专家集中起来，可以设计出更好的解决方案。这样就可以提供更小、性能更优越、效率更高的产品，让客户的工程师不用花更多的时间在电源设计上下功夫。 另外，该电源参考设计做了很多的简化——从传统的18步分立式设计流程，演进到PowerSoC设计流程只需要6步；现在的Power SoC参考设计流程甚至从6步减少到了3步（图4）。

图4：电源参考设计支持产品更迅速面市。
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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 目前，Altera已经能够提供Cyclone V SoC参考设计，其他的三款28nm参考设计（Stratix V GX FPGA、Arria V GT FPGA、Cyclone V GX FPGA）正在开发过程中（图5）。同时，具备Enpirion电源的Cyclone V SoC开发套件目前已经启动，而其他三款具备Enpirion电源的开发套件将会在2014年上半年提供。

图5：Altera提供的参考设计。
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最后，Mark Davidson补充道：“我们这个电源优化的FPGA参考设计，不仅能让我们的客户把更好的产品以更快的时间投放市场，还可以让Altera在客户那里的地位更重要。这样也可以不断地提高我们的竞争优势。同时，Enpirion的电源器件模块除了支持我们自己的FPGA之外，也可以和其他处理器放在一块使用。” 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载