如何開發 FPGA 用的緊湊型高效電源解決方案

現場可編程閘陣列 (FPGA) 逐漸在眾多領域中用來支援高效能運算，包括視訊和影像處理、醫療系統、汽車和航太應用，以及人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML)。為 FPGA 供電是複雜而關鍵的功能，涉及大量且多種電源軌，有些電源軌甚至需要高達 50 A 的快速供電。

為了 FPGA 正常運作，電源軌需要啟動和關閉定序、需要以單調上升和下降，也需要高電壓精準度和快速的暫態響應。此外，供應多種電壓的 DC/DC 穩壓器尺寸要小，才可放置在 FPGA 附近，將配電線路中的寄生效應降至最低，此外還要夠高效率，將 FPGA 周遭的溫升降至最低。在某些系統中，DC/DC 穩壓器必須夠薄，以便安裝在印刷電路板 (PBA) 的背面。

雖然可以設計高效率且高效能的 DC/DC 穩壓器，且具有必要的整合式數位電源管理功能，但要裝在非常緊湊且薄型的外型中會是一大挑戰。可能會導致多次的設計迭代、無法專注於 FPGA 系統的設計，延遲上市時間並降低系統效能。

FPGA 電源系統的設計人員可以轉用經過全面測試和驗證的整合式 DC/DC 穩壓器，可將所有元件都裝入緊湊且散熱效率高的柵格陣列 (LGA) 和球柵陣列 (BGA) 封裝中，適合直接在 FPGA 一旁進行整合，讓電源系統 (和 FPGA) 發揮最大效能。

本文將查看 FPGA 的電力傳遞需求，並聚焦在電壓準確度、暫態響應和電壓定序，並且會以實例詳細說明熱管理的相關難題。接著會介紹 Analog Devices 針對 FPGA 供電推出的整合式 DC/DC 穩壓器，包括可安裝在印刷電路板背面的薄型穩壓器，以及可加速設計流程的評估板和整合建議。

FPGA 電源需求

FPGA 中的功能，例如核心邏輯、輸入／輸出 (I/O) 電路、輔助電路和收發器等，都需要不同的電源軌。每一個電源軌，通常是採用分散式電源架構搭配一個以上的 DC/DC 穩壓器 (或稱負載點 (POL) 穩壓器) 進行供電。雖然這些穩壓器大多使用切換式功率轉換來發揮最高效率，但對雜訊敏感的電路 (如收發器) 可能需要使用低壓降線性 (LDO) 穩壓器。

在小型系統中，整體的配電電壓通常為 5 或 12 V_DC，可直接供電給 POL。在較大的系統中，配電電壓則為 24 或 48 V_DC。若使用更高的配電電壓，就要在供電給 POL 的中間電壓匯流排上，使用降壓穩壓器將配電電壓降至 5 或 12 V_DC。POL 可提供個別 FPGA 電源軌所需的低電壓 (圖 1)。每個電源軌在精確度、暫態響應、定序和其他參數上有特定的要求。

圖 1：需要多個 POL 穩壓器供電給 FPGA。(圖片來源：Analog Devices)

核心 POL 通常是 FPGA 中最關鍵的電源。核心功率可以低於 1 V_DC，電流可達數十安培，並且通常具有 ±3% 或更高的精準度要求，以免邏輯錯誤。例如，若 FPGA 的核心電壓規格容差有 3%，搭配準確度為 ±1.5% 的穩壓器，就可額外提供 ±1.5% 的暫態能力。如果 POL 具有良好的暫態響應，就可提供穩定的效能。然而，若穩壓器的準確度為 ±2%，則難以達到需要的效能。僅有 ±1% 可用於暫態響應，因此需要添加旁路電容，還有可能導致暫態期間發生邏輯錯誤。

定序的起伏

除了操作時有嚴格的功率要求外，FPGA 還需要多個電源軌以指定順序，在精確的時間上啟動和關閉。現代 FPGA 通常將多個電源軌排列成幾組，以便一起開啟和關閉。例如，Intel 的 Altera Arria 10 FPGA 就將電源域分為三組。這些組別必須依序從組別 1 (有 6 個電壓軌) 到組別 2 (也是 6 個電壓軌) 再到組別 3 (3 個電壓軌) 進行通電，然後以相反的順序斷電，以免 FPGA 受損 (圖 2)。

圖 2：FPGA 要求電源軌依特定順序通電和斷電。(圖片來源：Analog Devices)

保持低溫操作

由於有如此多的穩壓器放置在 FPGA 附近，熱管理會是個疑慮。Analog Devices 利用一張印刷電路板示範使用多個穩壓器時的一些熱管理選項 (圖 3)。熱效能會受到穩壓器的相對擺放位置、氣流的方向和風量，以及環境溫度的影響。

圖 3：穩壓器並排時的熱管理展示板。(圖片來源：Analog Devices)

首次比較時，會針對展示板上的七個位置測量溫度；位置 1 到 4 顯示模組的表面溫度，位置 5 到 7 顯示印刷電路板上的表面溫度 (圖 4)。在這兩張熱像圖中，外側的模組較低溫，這是受惠於印刷電路板在三面上增加散熱片的結果，相較之下，中間的模組僅有兩面散熱。氣流也很重要。左邊的熱像圖中，有 200 LFM 的氣流來自印刷電路板底部，但右邊的圖則沒有氣流。有氣流的模組和印刷電路板，溫度會降低 20°C。

圖 4：增加 200 LFM 的氣流就可顯著降低模組和印刷電路板的溫度 (左)。(圖片來源：Analog Devices)

氣流方向和環境溫度也很重要。使用 400 LFM 氣流，從右到左將熱能從一個模組帶到另一個模組，結果最冷的模組在右邊，中間的模組最熱，左邊的模組則在兩者之間 (圖 5，左)。為了嘗試對較高的環境溫度進行補償，會在工作溫度為 75°C 的模組上放置散熱片。在此極端條件下，即使有額外的散熱片，模組的溫度也明顯更高 (圖 5，右)。

圖 5：在電路板上以 400 LFM 氣流從右至左吹動下，50°C (左) 和 75°C (右) 環境溫度的影響。(圖片來源：Analog Devices)

用於背面安裝的 LGA 和 BGA 封裝

LTM4601 系列的 12 A 連續 (峰值 14 A) 降壓型 DC/DC 穩壓器，能讓設計人員選擇 15 × 15 × 2.82 mm LGA 或 15 × 15 × 3.42 mm BGA 封裝。輸入電壓範圍為 4.5 至 20 V_DC，可提供 0.6 至 5 V_DC 的輸出，並具有輸出電壓追蹤和餘裕調節功能。具有 ±1.5% 的調節率和 35 mV 的峰值偏移，可因應 0% 至 50% 的動態負載變化，以及 50% 至 0% 的完整負載，趨穩時間為 25 μs。

這些穩壓器可選擇是否要板載差動遠端感測放大器，可用來準確調節輸出電壓，不受負載電流影響。例如，LTM4601IV#PBF 位於 LGA 中，而 LTM4601IY#PBF 位於 BGA 中，兩者都具有板載差動遠端感測放大器。不需要板載放大器的應用，則可在 LGA 中使用 LTM4601IV-1#PBF 或在 BGA 中使用 LTM4601IY-1#PBF。這些模組是完整的 DC/DC 穩壓器，只需輸入和輸出電容即可滿足指定的設計要求 (圖 6)。這些模組採用薄型設計，可以安裝在印刷電路板的背面。

圖 6：μModule 穩壓器是採用散熱增強型封裝的完整電源轉換器。(圖片來源：Analog Devices)

Analog Devices 推出 DC1041A-A 展示電路，可加速 LTM4601 穩壓器的評估。輸入電壓範圍為 4.5 至 20 V_DC，輸出電壓可透過跳線選擇並進行編程，以隨機升高或降低，或按比例地追蹤另一個模組的輸出。

超薄穩壓器

Analog Devices 的 LTM4686 採用高度為 1.82 mm 的 16 ×11.9 mm LGA 封，能讓這些雙通道 10 A 或單通道 20 A 穩壓器放置在夠靠近 FPGA 的位置，因此裝置可共用一個一般散熱片，進而簡化熱管理。此外，這些穩壓器會安裝在印刷電路板的背面。整合式數位電源管理可透過 PMBus 協定，支援遠端配置，並即時監測輸出電流、電壓、溫度和其他參數。這些穩壓器可支援兩個輸入電壓範圍；LTM4686IV#PBF 的工作電壓範圍為 4.5 至 17 V_DC，LTM4686IV-1#PBF介於 2.375 至 17 V_DC。LTM4686 模組可支援 0.5 至 3.6 V_DC 的輸出，最大輸出誤差為 ±0.5%。這些穩壓器可在 +85°C 環境溫度、400 LFM 氣流下，以 5 V_DC 輸入提供 18 A/1 V_DC 電流。

設計人員可將 DC2722A 展示電路搭配 LTpowerPlay 軟體使用，即可探索 LTM4686 模組的功能。若單純只要評估穩壓器，則以預設值開啟 DC2722A，無需 PMBus 通訊。只要添加軟體和 PMBus 硬體鎖，設計人員就可以探索完整的數位電源管理功能，包括立即重新配置零件並可查看遙測資訊。

電路板的佈局考量

雖然並聯 μModule 穩壓器來供電給 FPGA 時有一些電氣上的考量，但與間距、孔洞、接地層和氣流相關的參數也非常重要。幸好，LGA 封裝的設計可簡化電源和接地層的佈局，並為印刷電路板提供牢固的熱連接。放置四個並聯 μModule 穩壓器只需重複 LGA 封裝即可 (圖7)。除了異常艱鉅的環境外，熱增強型封裝以及電源層通常都可為模組提供足夠的散熱。

圖 7：μModule 穩壓器的 LGA 封裝可簡化多個模組的並聯，並支援增強的散熱效能。(圖片來源：Analog Devices)

結論

為了支援高效能運算應用，FPGA 需要精確高效的電源管理以及快速響應時間。供電給 FPGA 的眾多電壓軌是複雜的挑戰，可以使用 Analog Devices 的整合式 μModule DC/DC 穩壓器來因應。這些穩壓器還針對緊湊且容易整合的封裝提供必要的電氣和熱效能。