ADI μModule® 稳压器是 FPGA 供电的理想之选

2024年02月29日

文章来源

Macnica Engineer

ADI μModule® 稳压器是 FPGA 供电的理想之选

数据中心、图像处理和通信设备中使用的 FPGA 性能正在迅速提高，市场上也在不断推出新设备。因此需要为 FPGA 提供低压和大电流电源，而且设计难度也在增加。在此背景下，模块型电源集成电路备受关注。另一方面，那些尚未熟悉电源设计的人可能会问，与分立式电源相比，模块式电源在用作 FPGA 电源时有哪些优势？本文将为那些设计 FPGA 电源电路的人介绍在 FPGA 电源设计中需要了解的要求，以及 ADI μ Module® (微型模块) 稳压器作为符合这些要求的电源模块。

设计 FPGA 时对电源的要求

在 FPGA 对电流要求越来越高的背景下，FPGA 对电源的要求主要以下有四点：

节省空间

在许多情况下，根据最终产品的预定尺寸，电源电路的空间是有限的，因此设计人员通常面临的一个共同挑战是没有足够的电路板空间来容纳所需的功能，特别是 FPGA 的电压系统较多，电路规模往往较大，设计难度较大。此外，由于安装 FPGA 的多层板价格昂贵，因此从“尽可能降低板成本”的角度来看，也需要小型化。

精度高、热效率高

最新的 FPGA 对电流和精度有严格的要求，设计人员经常抱怨很难高精度地输出大电流。另外随着 FPGA 功耗的增加，IC 产生的热量也会增加。因此我们需要避免出现设计完美但电路板太热而无法商业化的情况，所使用的 IC 的精度和效率对电源设计有重大影响。

长期可用性

由于 FPGA 外围电路的设计难度很高，所以很自然地认为，一旦板子做出来，就应该尽可能地继续量产。当一个元件停产后，重新设计需要花费很大的精力，因此在采用时必须考虑该元件的长期可用性。除此还必须尽可能减少组件的数量，以降低组件管理的复杂性和停产的风险。

设计灵活性

开关稳压器具有大量组件和复杂的布局，设计起来需要时间和技术。未经充分验证的布局可能会因过压 (EOS) 而导致毁坏，但近年来的首要任务是尽快将产品推向市场，这通常意味着无法花费足够的验证时间。如果首先引入最先进的 FPGA，则在电源设计过程中所需的规格可能会发生变化。由于所需的电流量取决于 FPGA 执行的任务，所以可能会在交货前才发现电流不足。在紧迫的时间内匆忙处理返工问题的情况并不少见。为了快速应对各种情况，设计需要有灵活性。

FPGA 最佳电源 IC μModule® 稳压器

面对如此多的要求，什么样的电源 IC 最适合 FPGA 电源？ADI 的 μModule® (微模块) 稳压器电源模块系列，是将高精度模拟 IC 和外围电路结合在一个封装中的 DC/DC 转换器的单芯片解决方案，具有支持各种电源的产品阵容。下图 (图1) 为 μModule® 的内部结构图，在小型封装中，每个组件 (包括外围电路) 都以接近理想的布线布置安装，从而实现低噪声。即使那些没有电路设计知识的人也可以轻松开发高质量的 FPGA 电源，而无需担心详细组件的布局。μModule® 稳压器有助于实现电源电路的小型化，显著减少设计工时，减少元件数量，缩短开发周期，加快产品上市速度。

μModule® 稳压器的特性和功能

以下介绍 ADI 的 μModule® 稳压器的五个特点：

小型化

μModule® 稳压器在支持大电流的同时实现了封装小型化。例如，LTM4624 采用超紧凑型封装，在 6.25mmx6.25mmx5.01mm 的空间内 (包括电感器和其他外围元件) 可驱动高达 4A 的电流。如下图 (图2) 所示，与相同尺寸的分立式电源相比，LTM4624 电路板空间可减少约 70%，与其他制造商的模块相比，ADI 拥有单位面积大电流的产品阵容。

高效率

能让许多产品都实现高效率，这是 μModule® 稳压器的吸引力之一。例如额定电流为 125A 的 LTM4681 效率高达 90%，与其他模块制造商相比非常出色。即使在大电流下也能减少发热，因此非常适合作为功耗逐年增加的 FPGA 的电源。

高扩展性

如下图 (图3、图4) 所示，μModule® 稳压器具有许多独特的功能，可实现灵活的设计，并且具有高度可扩展性。

它具有电流共享功能，此功能允许在并联放置的多个模块之间共享单个电压系统的输出。由于可以分散热量的产生，因此可以轻松解决电路板发热问题。

【使用示例】

通过捆绑多个输出，可以构建单个模块无法实现的大型电源
电源可分配以提供冗余

除此以外，产品阵容不仅能从单个模块提供单电源，还能输出多通道 (如两个或四个通道) 的产品。

【使用示例】

由于单个模块可以为多个电压系统供电，因此可以节省大量空间，并大大减少元件数量。
多个输出系统可以灵活地捆绑在一起，形成一个电路。例如，如下图 (图5) 所示，在四通道 (LTM4644) 模块中，单个模块可以处理从“4 个 4A 输出”到“单个 16A 输出”。
提供冗余，例如“将其用作储备并在用完时使用”。它增加了灵活性，并使其更容易响应突然的规格变化。

下图 (图6) 为引脚兼容系列产品，其产品阵容强大，输入电压、输出电压和封装尺寸几乎完全相同，支持各种输出电流值。无需更改电路本身，只需更换组件，即可轻松改变规格并优化成本。丰富的产品线可以自由选择最合适的模块，并按照自己的意愿进行设计。μModule® 稳压器沿袭了原有的凌力尔特“原则上不停产”的方针。对于设计负载较高的 FPGA 而言，无停产之忧和稳定的可用性并没有写入规范，但这将带来巨大的价值。