FPGA的60W~72W高密度电源的电气性能、热性能及布局设计之深入分析

在最近与一位系统设计师的讨论中，我们了解到他的电源要求是：调节 1.5V 电压，并向一个由 4 个 FPGA 组成的负载输送高达 40A 的电流。这意味着必须在狭小的面积和尽可能低的高度之内 (以提供流畅的气流进行冷却) 输送高达 60W 的功率。电源必须是可以表面贴装的，并以足够高的效率运作，旨在最大限度地减少热耗散。另外，他还要求解决方案尽可能地简单，这样他就可以把时间全部投入到更加复杂的工作中去。除了精准的电性能以外，这种解决方案还必须快速去除 DC-DC 转换期间产生的热量，这样在它附近的电路和 IC 就不会发生过热。此类解决方案需要一种创新型设计以满足下列标准：

1. 非常扁平以提供有效的气流并防止对周围的 IC 产生“热遮蔽”;

2. 高效率以最大限度地减少热耗散;

3. 均流能力以均匀地散播热量，从而消除热点并尽量降低或免除增设散热器的需要;

4. 内置于表面贴装型封装之中的完整 DC/DC 电路，包括 DC/DC 控制器、MOSFET、电感器、电容器和补偿电路，以实现灵活而简易的解决方案。

DC/DC 设计中的创新

创新是一种模块化 (但采用表面贴装) 的方法，这种方法运用了高效 DC/DC 转换、精准均流和低热阻抗封装，以在只需采取极少冷却处理的情况下提供输出功率。由于外形扁平并在 4 个器件之间实现了功率均分，因此采用该解决方案的系统仅凭较少的风扇或较低的扇速即可满足散热要求，而所需的散热器极少或根本不需要布设散热器。以上特点有助于实现一个成本较低的系统，其去除热量所消耗的功率较少。图 1 示出了用于此类电路的测试板。这款设计可调节 1.5A 输出并提供 40A (最高可达 48A) 的负载电流。每个“黑色方块”都是一个完整的 DC/DC 电路，并内置于一个 15mm x 15mm x 2.8mm 表面贴装型封装之中。由于只需使用少量的输入和输出电容器，因此采用这些 DC/DC µModule系统的设计就和照片上显示的一样简单。

图 2 示出了一款由 4 个并联 LTM4601 组成的稳压器，该稳压器可提供一个 48A (4 x 12A) 输出。这几个稳压器是同步的，但相互之间异相 90° 运作，从而通过抵消作用减小了输入和输出纹波电流 (图 3)。纹波的衰减又降低了外部电容器的额定 RMS 电流及尺寸要求，因而进一步缩减了解决方案的成本和板级空间。

同步和移相通过 LTC6902 振荡器来实现，该振荡器提供了 4 个时钟输出，各移相 90° (对于两相或三相关系，可通过一个电阻器来调节 LTC6902)。通过使µModule 稳压器异相运作，可使峰值输入和输出电流减小大约 20% (取决于占空比，请参见 LTM4601 的产品手册)。峰值输入和输出电流的这种减小又降低了对于输入和输出电容器的要求。时钟信号充当 4 个 LTM4601 的 PLLIN (锁相环输入) 引脚的输入。LTM4601 的锁相环由一个鉴相器和一个压控振荡器组成，它们配合运作以锁定于一个具 850kHz 频率范围的外部时钟的上升沿。当在 PLLIN 引脚上检测到一个至少 400ns 持续时间和 2V 幅度的脉冲时，锁相环将被接通 (但它在器件启动期间被停用)。图 3 示出了 4 个并联 LTM4601 µModule 稳压器的开关波形。

设定输出电压仅需一个电阻器。在并联配置中，电阻器的阻值取决于所使用的 LTM4601 数目。这是因为在并联 LTM4601 时，上端 (内部) 反馈电阻器的有效值将发生变化。LTM4601 的基准电压为 0.6V，而其内部上端反馈电阻器阻值为 60.4kΩ，因此 VOUT、输出电压设定电阻器 (RFB) 和并联模块数目 (n) 之间的关系式为：

n 为并联模块的数目。

图 4 示出了该系统在高达 48A 的广阔输出电流范围内所实现的高效率。此系统的工作性能令人难忘 —— 在宽广的输出电压范围内效率曲线未出现任何凹陷。

在启动时，LTM4601 的软起动功能通过使输出电压缓慢上升至其标称值来防止产生大的浪涌电流。启动时间与 VOUT 和软起动电容器 (CSS) 之间的关系式为：

例如：在未进行裕度调节的情况下，一个 0.1μF 的软起动电容器将产生一个 8ms (标称值) 的上升时间 (见图 5)。

并联稳压器之间的均流在从启动至满载的全过程中实现了良好的平