给 Altera Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供电:经过测试和验证的电源管理解决方案

DN549: 引言

FPGA 开发套件容许系统开发人员不需要设计一个完整的系统就能评估 FPGA。图 1 和图 2 示出了 Altera 的新型 20nm Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC (片内系统) 开发板。这些开发板由 Altera 进行了测试和验证,并举例说明了布局、信号完整性和电源管理方面的最佳设计方法。

Figure 1. Arria 10 GX FPGA Development Kit Board

 

图 1:Arria 10 GX FPGA 开发套件板

Figure 2. Arria 10 SoC Development Kit Board

 

图 2:Arria 10 SoC 开发套件板

针对内核、系统和 I/O 的电源管理

谨慎地选择高端 FPGA (包括 Arria 10) 的电源管理解决方案应谨慎地选择。经过审慎考虑的电源管理设计可缩减 PCB 尺寸、重量和复杂性,并可降低功耗和冷却成本。而且,它对于实现最优系统性能是必不可少的。例如,从 12V DC/DC 稳压器提供 0.95V/105A 以给图 1 的 Arria 10 GX FPGA 内核供电,这有几个特点以配合 SoC 的节能方案: 

  1. Arria 10 的 SmartVID 采用 DC/DC 稳压器的集成型 6 位并行 VID 接口,以控制 DC/DC 稳压器以及降低静态和动态状态期间的 FPGA 功耗。
  2. DC/DC 稳压器的非常低值 DCR 电流检测通过尽量减少电感器中的功率损失来改善效率。温度补偿可在较高的电感器温度下保持准确度或 DCR 值。

表 1 概要给出了图 1 所示 Arria 10 开发套件的电源轨和功能。该表罗列了针对每种功能的凌力尔特器件型号和描述。登录 www.linear.com.cn/altera 网址,点击 Arria 并了解这里介绍的两款开发板之技术细节。

 

表 1:用于图 1 所示 Arria 10 GX FPGA 开发套件的电源管理物料清单

从 12VIN 提供 3.3V 中间总线电源轨 / 功能 器件型号 描述
FPGA 内核 LTC3877 + LTC3874 105A (在 0.9V) 稳压器可无缝地与 Arria 10 SmartVID 接口
高速收发器 LTM4637 微型模块 (μModule®) 稳压器
上电 / 断电排序、电压和电流监视、电压裕度调节和故障管理 LTC2977 8 通道 PMBus 电源系统管理器
电源通路 (PowerPath) 管理 LTC4357 高电压理想二极管控制器
从 12VIN 提供 3.3V 中间总线 LTM4620 双通道 13A 或单通道 26A μModule 稳压器
输入过压保护 LTC4365 过压、欠压和反向电源保护控制器
内务处理系统电源和电源管理 LT1965, LT3082, LTC4352, LTC3025-1, LTC2418 低噪声线性稳压器,24 位 ADC;低电压理想二极管

利用 LTpowerPlanner 设计工具进行电源树的定制

如果您的电源要求与开发套件中举例说明的设计不同,将怎样呢? 对于此类场合,可使用基于 PC 的 LTpowerPlanner® 设计工具以实现系统电源树的个性化和优化。从开发套件中给出的建议着手,然后容易地重组电源模块 (power block)、更改功率额定值、计算效率和功率损耗、进行每个电源模块的仿真、选择 DC/DC 稳压器的型号、并认证一款定制的解决方案。LTpowerPlanner 可针对 Arria 10 开发套件的 FPGA 和系统要求产生电源树 (图 3),并可在涵盖面更广的 LTpowerCAD® 设计工具内提供,登录 www.linear.com.cn/ltpowercad 即可免费下载。

 

Figure 3. Power Tree for Arria 10 GX FPGA Board (Figure 1). Designed in LTpowerPlanner, An Analytical and Simple First Step Design Tool for Mapping System Power Requirements

 

图 3:用于 Arria 10 GX FPGA 开发板 (图 1) 的电源树。采用 LTpowerPlanner 进行设计,一款分析性和简单的首步设计工具以用于映射系统的电源要求。

LTpowerCAD 使用户能够:

  • 选择特定的凌力尔特 DC/DC 稳压器以与某种给定的电源规格相匹配
  • 选择合适的功率组件 (例如:电感器、电阻器和电容器)
  • 优化效率和功率损耗
  • 优化稳压器环路稳定性、输出阻抗和负载瞬态响应
  • 把设计导出至 LTspice® 以进行时域仿真

结论

通过登录 www.linear.com.cn/altera 网址可获取针对 Altera Arria 10 FPGA 和 SoC 以及其他 Altera FPGA 的开发套件设计指导 (包括电源树和物料清单)。这些开发套件已由 Altera 或第三方开发商进行测试和验证。


作者

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Afshin Odabaee