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“很多電子工程師可能還沒有迫切感受到電源對FPGA、處理器、ASIC等設(shè)計的制約性，但作為FPGA廠商，我們很清楚電源將越來越成為設(shè)計的瓶頸，”日前在談到電源發(fā)展挑戰(zhàn)時，ALTERA中國區(qū)Enpirion產(chǎn)品高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超表示：“在為FPGA等器件設(shè)計電源時，工程師通常會遇到許多設(shè)計兩難：市場需求驅(qū)使設(shè)備生產(chǎn)商在其產(chǎn)品中增加越來越多的特性和功能，希望提供更大的帶寬，進一步減小外形封裝，并且提高能效。最新的28 nm和20 nm FPGA、處理器或其他SoC都需采用更小尺寸，更高精度的電源管理器件來支持。市面上多數(shù)的電源產(chǎn)品都在為更好的解決這些問題而努力，但能權(quán)衡多方面性能表現(xiàn)的產(chǎn)品不多。” 為FPGA供電的挑戰(zhàn) 集成度以及功率密度越來越高是電源發(fā)展的必然趨勢，隨著系統(tǒng)所集成功能的不斷上升，對電源供電也提出更高要求、同時系統(tǒng)中更多模塊、接口占據(jù)了本就有限的PCB板，如何縮小電源面積，為PCB板節(jié)約空間是所有電源模塊、電源SoC設(shè)計的關(guān)鍵考量因素之一。“在高集成度要求下，設(shè)計師需要在電源抗干擾性、轉(zhuǎn)換效率、電路尺寸等方面做出權(quán)衡設(shè)計。希望能有更好的外圍器件，如輸入輸出電容，來消除紋波、提供穩(wěn)定的電流電壓。希望更高的開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率，來降低外圍器件尺寸。當(dāng)然頻率增高會影響開關(guān)損耗，使產(chǎn)品散熱問題嚴(yán)重，從而影響轉(zhuǎn)換效率。同時，很多設(shè)備都涉及高數(shù)據(jù)傳輸、RF電路（如4G網(wǎng)絡(luò)）等，這些電路通常對噪聲更為敏感，需要更安靜的電源設(shè)計。有工程師不得不為此放棄使用開關(guān)電源而采用低效的線性電源來降低噪聲干擾，但同時也帶來系統(tǒng)低效和散熱等問題。同樣，在為數(shù)字負載（FPGA核電壓、FPGA接口電壓、CPU電壓）供電情況下，這些負載電壓變化會比較大，需要電源在短時間內(nèi)有很好的瞬態(tài)表現(xiàn)。目前在工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、通信等領(lǐng)域?qū)﹄娫吹乃矐B(tài)效應(yīng)有很高的要求。這些都是工程師在設(shè)計電源時會遇到的實際問題。”張偉超介紹道，“ALTERA此番通過收購引入Enpirion電源，就是看中其能夠在多方面解決這些設(shè)計困擾。” Enpirion三項核心技術(shù) 據(jù)張偉超介紹，Enpirion的電源SoC，能將大部分外圍器件集成到芯片內(nèi)部，允許器件在更高的頻率工作，并降低開關(guān)損耗。其主要得益于三個核心技術(shù)：基于高頻開關(guān)IC技術(shù)，Enpirion可以允許器件工作在更高的頻率。通常器件工作頻率在500kHz到1MHz之間，Enpirion最高可以允許器件工作在5MHz，高工作頻率可以允許外圍器件小，從而易于被集成；基于電磁材料工程的核心技術(shù)，通常電源模塊也會集成電感，但這些電感是市面上通用的產(chǎn)品。而Enpirion對電感的材料和工藝結(jié)構(gòu)都具有專利技術(shù)，可以定制化自己的電感，再集成到SoC內(nèi)部可實現(xiàn)在更高的工作頻率下，獲得更低的開關(guān)損耗，從而維持很好的運作效率，也能實現(xiàn)很好的EMI表現(xiàn)；第三項核心技術(shù)是其電源封裝和架構(gòu)技術(shù)，在將電源控制器、MOSFET、電感、補償網(wǎng)絡(luò)等器件集成到芯片內(nèi)部時，器件間會相關(guān)干擾或影響，如何使器件被集成后仍能保持很好的可靠性及轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)低紋波、低噪聲等性能，都在封裝架構(gòu)中得到進一步的實現(xiàn)。 如何解決設(shè)計難題 基于上述核心技術(shù)，Enpirion可實現(xiàn)高功率密度和小外形封裝，可極大的減小負載點穩(wěn)壓所需要的PCB面積和高度，與其他分立開關(guān)穩(wěn)壓器和模塊相比功率密度可提升20%到50%。通過高頻開關(guān)技術(shù)，允許器件工作在更高頻率，在提高集成度的同時不影響效率，同時配合定制的電感和MOSFET，使環(huán)路尺寸小，并能降低EMI。同時，Enpirion所采用的EDMOS不同于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET，重點降低了輸入輸出電容的參數(shù)，從而進一步減小開關(guān)損耗，來提高效率。對于開關(guān)電源的噪音問題，Enpirion可以做到與線性電源接近的開關(guān)噪聲，可應(yīng)用于為噪聲敏感的電路供電，同時確保轉(zhuǎn)換效率。和分立器件構(gòu)成的電源相比，Enpirion使用極少的元器件數(shù)量，從而也具有更高的可靠性。Enpirion的PowerSoC作為完整的電源系統(tǒng)，進行了專門的仿真測試，特征測試，驗證和制造測試，可實現(xiàn)45,000年MTBF可靠性。適合應(yīng)用于工業(yè)、通信、醫(yī)療等對運行可靠性要求高的領(lǐng)域。 據(jù)悉，Enpirion系列中即將上市的新品30A全數(shù)字PowerSoC，在VIN-12 V / VOUT=1.2 V、常溫的工作環(huán)境下可以實現(xiàn)90%以上的轉(zhuǎn)換效率。可連續(xù)輸出30A (@ 1.5V)，支持并聯(lián)可實現(xiàn)高達180A的電流輸出。適合應(yīng)用在通信、工業(yè)、醫(yī)療等中高端設(shè)備中為FPGA、處理器或ASIC等核處理器供電。該產(chǎn)品還是一款全數(shù)字的Power SoC，其芯片內(nèi)部的控制環(huán)路（Control Loop）也是全數(shù)字的，可實現(xiàn)實時自適應(yīng)的控制環(huán)路，提高控制的精準(zhǔn)度，也實現(xiàn)更快速的瞬態(tài)響應(yīng)。其輸出穩(wěn)壓精度小于0.5%精度（0.6V ≤ VOUT ≤ 1.5V）。隨著FPGA的核電壓越來越低，目前核電壓值在2V、1V或更低，如果電源控制精度不夠，很難為其提供準(zhǔn)確的電壓，而全數(shù)字芯片能為FPGA在內(nèi)的負載提供更精確的電壓控制。同時該芯片可提供降低系統(tǒng)功耗的SmartVID和PMBus遠程監(jiān)測功能，這兩種功能在通信、工業(yè)等中高端設(shè)備中應(yīng)用廣泛，可實現(xiàn)更智能的電源控制。該產(chǎn)品目前已供樣，預(yù)計在今年年底可量產(chǎn)。 集成了電感，具有補償功能的PowerSoC所需的外圍設(shè)計簡單，可以節(jié)省設(shè)計時間，加速產(chǎn)品上市。同時，Enpirion將為ALTERA旗下FPGA產(chǎn)品，包括新發(fā)布的MAX 10 FPGA配備電源參考設(shè)計，從而使客戶在采購FPGA的同時可以擁有合適的電源參考設(shè)計，達到“一站式”解決方案。后續(xù)開發(fā)只需較少的設(shè)計步驟，相對于分立開關(guān)穩(wěn)壓器顯著縮短了設(shè)計時間。同時，這些電源解決方案是經(jīng)過全面驗證的PCB布線和設(shè)計，可幫助客戶設(shè)計一次成功。解決方案所帶的設(shè)計軟件也可方便工程師在后期設(shè)計時簡單實現(xiàn)想要的功能。（麥迪） 附：主要性能對比（來源Altera資料） Enpirion的電源SoC可以比普通電源模塊實現(xiàn)更好的性能，具體表現(xiàn)在：能工作在更高的頻率，從而有效減小電路板尺寸；基于磁體工程技術(shù)所定制優(yōu)化的電感性能生產(chǎn)、尺寸業(yè)界領(lǐng)先；封裝優(yōu)勢可以增強閉環(huán)工作的可靠性、穩(wěn)定性。從而提供更魯棒的電源管理系統(tǒng)。 最高功率密度和最小外形封裝：與其他分立開關(guān)穩(wěn)壓器和模塊相比，極大的減小了負載點穩(wěn)壓所需要的PCB面積和高度。外形封裝比競爭對手方案小25%至50%。 瞬態(tài)響應(yīng)：在為數(shù)字負載（FPGA核電壓、FPGA接口電壓、CPU電壓）供電情況下，負載電壓都是變化會比較大，需要電源在短時間內(nèi)有很好的瞬態(tài)表現(xiàn)。目前在工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、通信等領(lǐng)域?qū)﹄娫吹乃矐B(tài)效應(yīng)有很高的要求。Enpirion可以滿足業(yè)界領(lǐng)先的帶寬及瞬態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)。 Enpirion獨特的封裝設(shè)計有助于提供出色的輸出紋波性能。 值得注意的是， 在更高帶寬范圍內(nèi)測量的Enpirion的輸出紋波，比很多競爭對手的產(chǎn)品更為出色。 由于Enpirion的PowerSoC非常小，并且集成了電感，使得當(dāng)前電流回路的面積顯著減小，有利于降低輻射功率。 如何在設(shè)計系統(tǒng)時,實現(xiàn)更高電源效率、更快負載瞬態(tài)響應(yīng)、更低輸出紋波和更小尺寸的完美結(jié)合, 一直是系統(tǒng)電源設(shè)計人員不斷努力追求的目標(biāo)。Enpirion的PowerSoC方案將卓越的高效率、超穩(wěn)定性，極快的瞬態(tài)響應(yīng)與創(chuàng)新的電感集成封裝技術(shù)結(jié)合在一起，確保了系統(tǒng)在整個負載范圍的最佳電源密度和熱性能。 高效率和熱性能表現(xiàn)：經(jīng)過優(yōu)化，效率高達96%。高效的器件達到工業(yè)級，85oC環(huán)境溫度時，大部分不需要負載降額或者氣流散熱。更多Enpirion的PowerSoC產(chǎn)品已經(jīng)通過汽車工業(yè)級規(guī)格測試認證，可提供高可靠的性能保證。 |
