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

　　在基于 FPGA 的应用中，快速 I/O 节点往往具有最高的功率需求。可产生几十安培负载的 1.8V 和 2.5V I/O 电压很常见。高端系统需要 40A 至 80A 的 I/O 设计。

　　由于电路板设计的数理逻辑原因，在布设 DC/DC 稳压器时必须使之与其负载相隔一定的距离，并需要在其输出与稳压点之间排布一根很长的印刷电路板 (PCB) 走线。当负载电流很大时，PCB 走线将产生一个电压误差，该误差等于负载电流值 (I) 与走线阻抗 (R) 的乘积。由于负载电压日趋下降以及负载电流不断增加，这个 I×R 电压误差越来越成问题了。例如;对于一个 3.3V 电压轨，200mV 的 I×R 压降产生 6% 的误差，而对于一个 1.2V 电压轨则产生 17% 误差。因此，尽管 DC/DC 稳压器可被设定用于调节一个 1.2V 输出，但由于 IxR 电压降的原因负载将仅获得 1.0V 电压。

　　在当今的 90nm 和 65nm 工艺中，FPGA 的 Vt 和性能取决于电源轨的精度，因此 17% 的误差会轻而易举地造成性能劣化。比如：100mV 的Vt 差异有可能使漏电流产生 10 倍或更大的变化。

　　标准的 DC/DC 稳压器可提供精准的稳压，但唯一的条件是负载必须非常靠近其输出。它不能补偿 IxR 电压降。误差校正必须借助一个远端检测放大器来处理。利用负载的差分远端采样能够实现最为严密的稳压，这种采样方式需要一个精准运算放大器和精准电阻器。理想的稳压器应直接在负载上提供优于 ±1.5% 的稳压准确度，即使在 -40°C 至 85°C 的温度范围内也不例外。对于一个 3.3V 电压轨而言，由于数字 IC 能够容许 ±0.5V 的偏差，因此这种准确度或许并不那么重要，但具有 1.8V、1.0V 或 0.9V 电压轨的 90nm 或 65nm 器件将需要较高的准确度。

　　一旦用户设定了稳压器的输出电压，差分远端采样功能电路将通过补偿 PCB 走线上的任何 IxR 电压降 (针对一个很宽的负载电流范围) 来自动调节负载点上的稳定电压。因此，当系统处于待机模式或全速模式 (此时负载电流和 IxR 电压降为其峰值) 时，稳压精度非常之高。

　　降低电压纹波噪声和电容器要求

　　在非便携式应用中，由于对电压降和电流的要求有所提高，因此在选择 DC/DC 稳压器的过程中热耗散和工作效率成为了更加重要的因素。在便携式应用中，虽然每个电压轨的负载电流较小，但在节省电池能量和简化便携式产品的热管理方面，工作和待机效率仍然起着重要的作用。

　　不管在便携式还是非便携式应用中，开关模式 DC/DC 稳压器都提供了比线性稳压器性能更高的解决方案，对于高功率要求而言尤其如此。例如：开关模式稳压器能够以 90% 的效率从一个 3.3V 输入电源提供 1.2V/5A 输出，而线性稳压器的效率则只有 36%;此外，开关模式稳压器的功耗为 0.7W，而线性稳压器则达到了 10.5W 之多。

　　另一方面，由于其固有的开关操作的原因，开关模式稳压器会引发开关噪声和较高的输出纹波噪声 (输出电压峰至峰纹波)。不幸的是，新型 FPGA 的较低电压轨及较快 I/O 信号更加严密的眼图对电源“噪声”的容忍度较低。为了减轻纹波噪声，可给电路增添更多的输入和输出电容器以衰减峰至峰纹波电压。然而，衰减开关噪声更具挑战性。一种可以接受的方法是使 DC/DC 稳压器的工作频率同步至一个外部时钟，从而强制稳压器在某个设定的频率范围之内运作，而该频率范围是以稳压器对系统其他噪声敏感型部件的干扰最小为依据来选择的。当把几个开关模式稳压器全部同步至一个对于系统其余部分很安全的时钟频率时，这种方法特别有效。

　　这些方法有助于设计噪声较低的开关模式负载点稳压器;然而，如果 DC/DC 稳压器的设计从一开始就采用了正确的架构、功能部件和布局，就能够极大地减少噪声问题。此类稳压器最大限度地降低了其自身对于电容器、滤波和 EMI (电磁干扰) 屏蔽处理的依赖。