高性能DC/DC转换器应对FPGA应用中的供电要求

不过，开关模式稳压器因其固有的开关工作模式会引入开关噪声和较高的输出纹波噪声(输出电压峰峰值纹波)。不幸的是， 需要更低电压轨的新型FPGA、眼图要求更严格的快速I/O信号对电源"噪声"的容许度更低。为减少纹波噪声，可以给电路增加更多输入和输出电容，以抑制 峰峰值纹波电压。但抑制开关噪声的挑战性更大。一种可能的方法是使DC/DC稳压器的工作频率与外部时钟同步，这样可以强制稳压器工作在对系统其它噪声敏 感器件的干扰最小的频率范围内。在几个开关模式稳压器同步到一个时钟频率，且这个时钟频率不干扰系统其它部分的情况，这种方法尤其有效。

上述方法有助于设计噪声较低的开关模式负载点稳压器解决方案，不过如果在设计之初就确定了合适的结构、功能和布局，则能大大减少噪声问题。这种稳压器能最大限度降低对电容、滤波和电磁干扰(EMI)屏蔽的依赖。

4. 精调电压和改善空气流动

当 FPGA或FPGA的外围IC被组装到一个完整的系统中之后，它们的性能可能与在实验室工作台上单独测试得到的性能有所不同。焊料类型、温度、PCB布 线、走线阻抗、装配流程等都会影响器件的性能。例如，如果FPGA内核的电压被调节在一个非预期的电压上，内核运行速度就会下降，导致系统的计算能力下 降。

因此，工程师在质检或装配期间评估器件性能时，要求器件能以很小的步长提高或降低输出电压，这个功能被称为余量功能(margining)。在前面例子中，内核电压可以调高，以便使FPGA的工作频率达到期望值。余量功能还可以帮助系统制造商提高生产高总产量。

人 们希望基于FPGA的系统在增加功能、存储容量或计算能力的同时缩小尺寸，这促使设计工程师改善器件散热的方法，其中一个简单方法是在器件上方实现有效的 空气流动。封装高的器件阻碍了FPGA或存储器这类封装薄的器件上方的空气流动。预装配的DC/DC负载点稳压器引起的空气阻塞问题非常严重，因为这些器 件的高度是FPGA和其它IC高度的6至10倍。

FPGA较薄的BGA封装非常有用，因为可以从封装顶部高效率地散出内部产生的热量。当一个较高的器件(如预装配的DC/DC稳压器)阻碍空气流动，并紧靠FPGA器件时，FPGA的这种优点就无法发挥出来。

新一代DC/DC系统：µModule稳压器

凌 力尔特公司完整的开关模式DC/DC系统包括片上MOSFET、电感、电容、DC/DC控制器和补偿电路，类似一个表面贴IC，走线简单，只需几个大容量 电容和一个电阻来设置输出电压。这个DC/DC系统可以预组装，并已考虑到了合理的布线和封装，以实现最佳的电气和热性能。DC/DC开关模式架构采用电 流模式，其快速的瞬态响应特性有助于最大限度地减小所需的输出电容。这个DC/DC系统与外部时钟同步，因此多个系统可以并联起来以提供大电流，同时最大 程度地减小开关噪声干扰和输出纹波噪声。这些新型DC/DC稳压器采用微小、轻型的表面贴封装，以使电路板组装更紧凑、更简单。封装的高度很低，以便于空 气在该系统和有关IC的上方流动。

凌力尔特公司将这个新一代的DC/DC系统称作µModule稳压器。µModule稳压器包含一系列 器件，输出电流范围为6A至12A、输入电压为4.5V至28V、输出电压为0.6V至5V。有些功能丰富的µModule稳压器还具有跟踪等功能，这样 具有多个电源轨的FPGA系统可实现正确的上电和断电。它的电感也进行了屏蔽，能最大限度地减小EMI。由于µModule稳压器具有余量功能，所以系统 设计工程师可以准确地调节电压，除了在组装和测试期间提高产量外，还可以提高FPGA和系统其它部分的性能。

图1采用LTM4601、4 层PCB设计的四输出103W µModule DC/DC系统。这个解决方案利用8V至16V中间总线输入产生4种输出：1.5V/12A、1.8V/12A、2.5V/12A和3.3V/10A。图 2是简化的方框图。4个LTM4601单元的相位锁定到四输出、四相振荡器LTC6902上，LTC6902产生90o交错的时钟信号以减小噪声和纹波。 图3给出了这个简单、紧凑的解决方案的效率。特别值得一提的是，该解决方案无需散热器。

图2：图1电路中的每个输出的效率。

本文小结

凌力尔特公司在DC/DC稳压器架构和封装方面的创新使新一代负载点解决方案能够满足FPGA系统更严格的要求。µModule DC/DC稳压器系列包括6种产品，具有多种功率级别和功能。µModule DC/DC解决方案非常可靠，这为多芯片封装器件树立了新的性能标准，为新一代FPGA和基于FPGA的系统更精细地提高性能铺平了道路。