一、FPGADC-DC 精度的要求不断提升

FPGA 厂商不断采用更先进的工艺来降低器件功耗,提高性能,同时 FPGA 对供电电源的精度要求也越加苛刻,电压必须维持在非常严格的容限内,如果供电电压范围超出了规范的要求,就有会影响到 FPGA 的可靠性,甚至导致 FPGA 失效。

 

无论是 Intel (Altera)FPGA 还是 Xilinx FPGA 均在数据手册中明确提出了电源精度要求,其中要求最高的是内核和高速收发器的供电。举例来看,Intel 公司的 Cyclone V、Cyclone 10 GX、Arria10、Stratix 10 的电源精度要求在±30mV 以内

 

Arria10 的 core 和 transceiver 数据手册上的供电要求(±30mV):

 

 

 

Stratix10 的 core 和 transceiver 数据手册上的供电要求(±30mV):

 


如果 Stratix10 需要支持 26.6G transceiver 时,收发器供电精度要求 ±20mV 以内

 

 

Xilinx 公司的 Artix 7、Kintex7、Virtex 7 等器件电源精度要求也是在±30mV 以内,KU+、VU+器件要求电源精度必须达到±22mV 以内。

 

Kintek Ultrascale+的 core 和 transceiver 数据手册上的供电要求(±22mV):

 

 

 

由此可见,新一代 FPGA 的供电精度都在±20-30mv 左右,已经是单板中对电源精度要求最为苛刻的器件之一了。

 

由于输出精度都是理论计算值,并没有考虑单板 PCB 布线和其他外部设备引入的干扰和误差,因此实际设计产品时,电源输出精度不但必须符合数据手册中的要求,还必须预留一定的余量,通常设计中,我们还会保留 50%-100%余量,以保证系统长期可靠工作。

 

二、电源的稳态直流精度及计算方法

供电电源的稳态直流精度主要取决于两个因素:电压调整精度和输出电压纹波。这里有一个误区,很多工程师只通过 DC-DC 数据手册上的电压输出精度来判断器件是否符合要求,其实这是不正确的。 首先很多 DC-DC 需要外部反馈电阻来决定最终的输出电压,数据手册上的电压调整精度是指芯片本身的输出精度,并没有计算反馈电路引入的偏差。其次,器件数据手册上的电压输出精度并不包含输出电压纹波,必须将两者叠加计算才能得到正确的直流稳态精度。

 

正确的电源稳态直流精度的计算公式如下:

•      电源直流稳态精度 =器件输出精度(这里要求全温度,全负载时的精度,很多器件手册只给出典型值,因此要小心)+ ½ 纹波 + 外部反馈电阻精度引入的误差

 

下面我们来计算几个常见的 30A DC-DC 电源芯片的电源直流稳态精度

1. TI 公司的 TPS53355, 输出 1%精度,输出纹波 20mv,需要使用反馈电阻,假设使用 1%精度的反馈电阻,输出 0.9V@30A 情况下:

电源直流稳态精度=9mV(器件输出精度)+10mV(1/2 纹波)+6mV(1%反馈电阻精度引入的误差)=25mV

 

2. LTM4630, 输出 1.5%精度,输出纹波 15mv,需要使用反馈电阻,假设使用 1%精度的反馈电阻,输出 0.9V@30A 情况下:

电源直流稳态精度=13.5mV(器件输出精度)+7.5mV(1/2 纹波)+3mV(1%反馈电阻精度引入的误差)=24mV

 

3.   Intel 公司的 EM2130L02QI 30A 电源模块,输出 0.5%精度,输出纹波 7mv,不需要外部反馈电路,输出 0.9V@30A 情况下:

电源直流稳态精度=4.5mV(器件输出精度)+3.5mV(1/2 纹波)=8mV

 

可见,TPS53355 和 LTM4630 的理论输出精度为 24-25mv,对于大部分 FPGA 的 30mv 精度要求来说,只是在理论上满足,用户必须将 PCB 布线和其他外部设备引入的干扰控制在 5mv 以内,这个余量非常小,很难符合可靠性设计原则。而对于 KU+,VU+或者需要支持 26G 收发器的 Stratix10 等器件,理论上 TPS53355 和 LTM4630 输出精度都超出了器件容限,无法满足这些新一代 FPGA 器件对电源的要求。

 

而 Intel 公司的 EM2130 模块是 Intel 公司专门针对 FPGA 等大规模芯片设计的电源模块产品,输出精度为 0.5%,不需要任何外部反馈电阻,纹波只有 7mv 左右,最终电源直流稳态精度达到了惊人的 8mV,有充分的设计余量可以满足当前任何 FPGA 的对电源精度的苛刻要求。

 

三、高精度电源对减低 FPGA 功耗的作用

除了电源精度影响整个系统的稳定性和可靠性,更高精度的电源还可以帮助我们降低系统功耗。

 

我们举一个例子,一个 FPGA 推荐的典型工作电压为 0.85V,最高工作电压为 0.88V,最低工作电压为 0.82V, 假设供电 DC-DC 实际稳态直流精度是±30mV ,那么 DC-DC 必须正好工作在 0.85V,如果电压更低,就会低于 FPGA 对电压下限的要求。

 

而 Intel EM21xx 系列电源模块的稳态直流精度理论值只有±8mV,考虑设计余量,我们使用±15mV 作为实际工作精度, 那么在保证器件最低工作电压 0.82V 的情况下,输出电压可以设置在 0.835V,而不是 0.85V,根据功率计算公式 P=U2 /R, 在 30A 情况下,可以降低 0.765W 功耗。

 

     

 

四、总结

电源是保证 FPGA 系统可靠的重要因素,随着 FPGA 对电压精度要求不断提高,大部分传统电源芯片或模块已经难以跟上 FPGA 芯片对精度要求。 Intel 公司针对新一代 FPGA 的需求,专门设计了 EM21xx 系列数字电源模块,输出电流从 20A 到 40A(即将推出 60A 模块),小体积,高效率,简单易用,精度完全满足所有新一代 FPGA 器件对电源的苛刻要求,并可以预留足够余量,确保电源系统的可靠性。