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“很多電子工程師可能還沒(méi)有迫切感受到電源對FPGA、處理器、ASIC等設計的制約性，但作為FPGA廠(chǎng)商，我們很清楚電源將越來(lái)越成為設計的瓶頸，”日前在談到電源發(fā)展挑戰時(shí)，ALTERA中國區Enpirion產(chǎn)品高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超表示：“在為FPGA等器件設計電源時(shí)，工程師通常會(huì )遇到許多設計兩難：市場(chǎng)需求驅使設備生產(chǎn)商在其產(chǎn)品中增加越來(lái)越多的特性和功能，希望提供更大的帶寬，進(jìn)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(lái)支持。市面上多數的電源產(chǎn)品都在為更好的解決這些問(wèn)題而努力，但能權衡多方面性能表現的產(chǎn)品不多�！� 為FPGA供電的挑戰 集成度以及功率密度越來(lái)越高是電源發(fā)展的必然趨勢，隨著(zhù)系統所集成功能的不斷上升，對電源供電也提出更高要求、同時(shí)系統中更多模塊、接口占據了本就有限的PCB板，如何縮小電源面積，為PCB板節約空間是所有電源模塊、電源SoC設計的關(guān)鍵考量因素之一�！霸诟呒啥纫笙�，設計師需要在電源抗干擾性、轉換效率、電路尺寸等方面做出權衡設計。希望能有更好的外圍器件，如輸入輸出電容，來(lái)消除紋波、提供穩定的電流電壓。希望更高的開(kāi)關(guān)轉換頻率，來(lái)降低外圍器件尺寸。當然頻率增高會(huì )影響開(kāi)關(guān)損耗，使產(chǎn)品散熱問(wèn)題嚴重，從而影響轉換效率。同時(shí)，很多設備都涉及高數據傳輸、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計。有工程師不得不為此放棄使用開(kāi)關(guān)電源而采用低效的線(xiàn)性電源來(lái)降低噪聲干擾，但同時(shí)也帶來(lái)系統低效和散熱等問(wèn)題。同樣，在為數字負載（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(huì )比較大，需要電源在短時(shí)間內有很好的瞬態(tài)表現。目前在工業(yè)、醫療設備、通信等領(lǐng)域對電源的瞬態(tài)效應有很高的要求。這些都是工程師在設計電源時(shí)會(huì )遇到的實(shí)際問(wèn)題�！睆垈コ榻B道，“ALTERA此番通過(guò)收購引入Enpirion電源，就是看中其能夠在多方面解決這些設計困擾�！� Enpirion三項核心技術(shù) 據張偉超介紹，Enpirion的電源SoC，能將大部分外圍器件集成到芯片內部，允許器件在更高的頻率工作，并降低開(kāi)關(guān)損耗。其主要得益于三個(gè)核心技術(shù)：基于高頻開(kāi)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(huì )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構都具有專(zhuān)利技術(shù)，可以定制化自己的電感，再集成到SoC內部可實(shí)現在更高的工作頻率下，獲得更低的開(kāi)關(guān)損耗，從而維持很好的運作效率，也能實(shí)現很好的EMI表現；第三項核心技術(shù)是其電源封裝和架構技術(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部時(shí)，器件間會(huì )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換效率，實(shí)現低紋波、低噪聲等性能，都在封裝架構中得到進(jìn)一步的實(shí)現。 如何解決設計難題 基于上述核心技術(shù)，Enpirion可實(shí)現高功率密度和小外形封裝，可極大的減小負載點(diǎn)穩壓所需要的PCB面積和高度，與其他分立開(kāi)關(guān)穩壓器和模塊相比功率密度可提升20%到50%。通過(guò)高頻開(kāi)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(shí)不影響效率，同時(shí)配合定制的電感和MOSFET，使環(huán)路尺寸小，并能降低EMI。同時(shí)，Enpirion所采用的EDMOS不同于業(yè)界標準的MOSFET，重點(diǎn)降低了輸入輸出電容的參數，從而進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)損耗，來(lái)提高效率。對于開(kāi)關(guān)電源的噪音問(wèn)題，Enpirion可以做到與線(xiàn)性電源接近的開(kāi)關(guān)噪聲，可應用于為噪聲敏感的電路供電，同時(shí)確保轉換效率。和分立器件構成的電源相比，Enpirion使用極少的元器件數量，從而也具有更高的可靠性。Enpirion的PowerSoC作為完整的電源系統，進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的仿真測試，特征測試，驗證和制造測試，可實(shí)現45,000年MTBF可靠性。適合應用于工業(yè)、通信、醫療等對運行可靠性要求高的領(lǐng)域。 據悉，Enpirion系列中即將上市的新品30A全數字PowerSoC，在VIN-12 V / VOUT=1.2 V、常溫的工作環(huán)境下可以實(shí)現90%以上的轉換效率�？蛇B續輸出30A (@ 1.5V)，支持并聯(lián)可實(shí)現高達180A的電流輸出。適合應用在通信、工業(yè)、醫療等中高端設備中為FPGA、處理器或ASIC等核處理器供電。該產(chǎn)品還是一款全數字的Power SoC，其芯片內部的控制環(huán)路（Control Loop）也是全數字的，可實(shí)現實(shí)時(shí)自適應的控制環(huán)路，提高控制的精準度，也實(shí)現更快速的瞬態(tài)響應。其輸出穩壓精度小于0.5%精度（0.6V ≤ VOUT ≤ 1.5V）。隨著(zhù)FPGA的核電壓越來(lái)越低，目前核電壓值在2V、1V或更低，如果電源控制精度不夠，很難為其提供準確的電壓，而全數字芯片能為FPGA在內的負載提供更精確的電壓控制。同時(shí)該芯片可提供降低系統功耗的SmartVID和PMBus遠程監測功能，這兩種功能在通信、工業(yè)等中高端設備中應用廣泛，可實(shí)現更智能的電源控制。該產(chǎn)品目前已供樣，預計在今年年底可量產(chǎn)。 集成了電感，具有補償功能的PowerSoC所需的外圍設計簡(jiǎn)單，可以節省設計時(shí)間，加速產(chǎn)品上市。同時(shí)，Enpirion將為ALTERA旗下FPGA產(chǎn)品，包括新發(fā)布的MAX 10 FPGA配備電源參考設計，從而使客戶(hù)在采購FPGA的同時(shí)可以擁有合適的電源參考設計，達到“一站式”解決方案。后續開(kāi)發(fā)只需較少的設計步驟，相對于分立開(kāi)關(guān)穩壓器顯著(zhù)縮短了設計時(shí)間。同時(shí)，這些電源解決方案是經(jīng)過(guò)全面驗證的PCB布線(xiàn)和設計，可幫助客戶(hù)設計一次成功。解決方案所帶的設計軟件也可方便工程師在后期設計時(shí)簡(jiǎn)單實(shí)現想要的功能。（麥迪） 附：主要性能對比（來(lái)源Altera資料） Enpirion的電源SoC可以比普通電源模塊實(shí)現更好的性能，具體表現在：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、穩定性。從而提供更魯棒的電源管理系統。 最高功率密度和最小外形封裝：與其他分立開(kāi)關(guān)穩壓器和模塊相比，極大的減小了負載點(diǎn)穩壓所需要的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：在為數字負載（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(huì )比較大，需要電源在短時(shí)間內有很好的瞬態(tài)表現。目前在工業(yè)、醫療設備、通信等領(lǐng)域對電源的瞬態(tài)效應有很高的要求。Enpirion可以滿(mǎn)足業(yè)界領(lǐng)先的帶寬及瞬態(tài)響應表現。 Enpirion獨特的封裝設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，使得當前電流回路的面積顯著(zhù)減小，有利于降低輻射功率。 如何在設計系統時(shí),實(shí)現更高電源效率、更快負載瞬態(tài)響應、更低輸出紋波和更小尺寸的完美結合, 一直是系統電源設計人員不斷努力追求的目標。Enpirion的PowerSoC方案將卓越的高效率、超穩定性，極快的瞬態(tài)響應與創(chuàng )新的電感集成封裝技術(shù)結合在一起，確保了系統在整個(gè)負載范圍的最佳電源密度和熱性能。 高效率和熱性能表現：經(jīng)過(guò)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(shí)，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(guò)汽車(chē)工業(yè)級規格測試認證，可提供高可靠的性能保證。 |
