什么是FPGA，ASIC，如何设计一个适用于它们的供电系统

　　什么是FPGA？

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

　　FPGA的工作原理：

　　FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

　　什么是ASIC？

　　目前，在集成电路界ASIC被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求，ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

　　ASIC工作原理：

　　ASIC的设计方法和手段经历了几十年的发展演变，从最初的全手工设计发展到现在先进的可以全自动实现的过程。这也是近几十年来科学技术，尤其是电子信息技术发展的结果。从设计手段演变的过程划分，设计手段经历了手工设计、计算机辅助设计（ICCAD）、电子设计自动化EDA、电子系统设计自动化ESDA以及用户现场可编程器阶段。集成电路制作在只有几百微米厚的原形硅片上，每个硅片可以容纳数百甚至成千上万个管芯。集成电路中的晶体管和连线视其复杂程度可以由许多层构成，目前最复杂的工艺大约由6层位于硅片内部的扩散层或离子注入层，以及6层位于硅片表面的连线层组成。就设计方法而言，设计集成电路的方法可以分为全定制、半定制和可编程IC设计三种方式。

　　怎样给他们适配供电系统（包含GPU）：

　　在 FPGA、GPU 或 ASIC 控制的系统板上，仅有为数不多的几种电源管理相关的设计挑战，但是由于需要反复调试，所以这类挑战可能使系统的推出时间严重滞后。不过，如果特定设计或类似设计已经得到电源产品供应商以及 FPGA、GPU 和 ASIC 制造商的验证，就可以防止很多电源和 DC/DC 调节问题。分析和解决问题的负担常常落在系统设计师的肩上。配置设计方案复杂的数字部分已经占据了这些设计师的大部分精力。因此处理设计方案的模拟和电源部分就成了主要挑战，因为电源并非如很多设计师所预期的那样是个简单的任务。

　　周全的电源管理从一开始就很有挑战性

　　所有设计任务一开始都很有挑战性，例如为一个包含收发器、内存模块、传感器、线路连接器以及网状 PCB 走线和多层 PCB 平面的复杂系统设计电源管理方案。不过，杂乱无章地使用 DC/DC 稳压器、电容器、电感器、散热器和其他散热措施以及组件布局来应对电源管理设计可能会导致后续设计问题。如果系统设计师匆忙决定选择较差的解决方案，那么后来可能出现调试工作进行不下去的情况。

　　从哪里开始电源管理设计

　　以一种系统化和考虑周全的设计方式，可以很有把握地开始任何电源管理电路的设计。换句话说，在 PCB 组装之前，如果分析是准确的，解决了电源管理相关的设计挑战，那么就可以简化电源管理电路的设计。另外，电源管理指南给出的电路经过测试和验证，满足 FPGA、ASIC、GPU 和微处理器以及采用这些及其他数字组件的系统之要求。利用经过验证的电源管理解决方案设计电源管理电路，将确保项目从一开始就很有把握。这是让设计方案从原型阶段快速进入生产阶段的关键，因为这样可以节省电源调试时间。

　　一个很好的例子：给 Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC 供电

　　系统开发人员可以使用 FPGA 开发工具评估 FPGA，而无须设计一个完整的系统。图 1 和图 2 显示了 Altera 公司新的 20nm Arria 10 FPGA 和 Arria 10 SoC （片上系统） 开发电路板。这些电路板经过 Altera 公司的测试和验证，列举了有关布局、信号完整性和电源管理的最佳设计实践。

　　面向内核、系统和 I/O 的电源管理。面向 Arria 10 等高端 FPGA 的电源管理解决方案应该谨慎选择。

　　一个经过精心计划的电源管理设计可以减小 PCB 尺寸、减轻重量并降低复杂性，同时降低功耗和冷却成本。这对优化系统性能而言是必不可少的。

　　例如，为图 1 中 Arria 10 GX FPGA 的内核供电的 12V DC/DC 稳压器提供 0.95V/105A，该 DC/DC 稳压器有几个特点，对 SoC 的省电方法起到了补充作用：

　　·Arria 10 的 SmartVID 运用 DC/DC 稳压器中集成的 6 位并联 VID 接口来控制 DC/DC 稳压器，在静态和动态情况下降低了 FPGA 功耗。

　　·DC/DC 稳压器运用 DCR 值非常低的电流检测方法，通过最大限度降低电感器中的功耗，提高了效率。温度补偿在电感器温度较高时保持准确度或 DCR 值不变。

　　表 1 概述了图 1 所示 Arria 10 开发套件电路板的电源轨和功能。该表列出了凌力尔特公司的器件，并描述了每种器件的功能。访问 www.linear.com.cn/altera，点击 Arria，了解本文所示两种电路板的详细技术信息。

　　用 LTpowerPlanner 设计工具定制电源树

　　如果开发套件中列举的设计不能满足自己的电源要求怎么办？在这种情况下，可以用基于 PC 的 LTpowerPlanner® 工具来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；然后容易地重新组织电源构件、改变电源额定值、计算效率和功耗、仿真每个电源构件、选择 DC/DC 稳压器器件型号并验证定制解决方案。

　　LTpowerPlanner 用来产生满足 Arria 10 开发套件中 FPGA 要求及系统要求的电源树 （图 3），是用途更广泛的 LTpowerCAD® 设计工具之一。

　　LTC2974 （用在电路板上） 增加 PMBus 功能：电源排序、监视、裕度调节和故障记录

　　Loss：功耗

　　Sequence On：排序接通

　　Sequence Off：排序断开

　　Green：绿色

　　Blue：蓝色

　　White：白色

　　Pink：粉色

　　DC to DC Regulator：DC 至 DC 稳压器

　　Summary Report：总结报告

　　Total Input Power：总输入功率

　　Total Output Power：总输出功率

　　Total Power Loss：总功耗

　　Total Efficiency：总效率

　　Total Solution Size：解决方案总体尺寸

　　LTpowerCAD 可帮助用户：

　　·选择具体的凌力尔特 DC/DC 稳压器，以与给定电源性能规格匹配

　　·选择合适的电源组件 （例如： 电感器、电阻器和电容器）

　　·优化效率和功耗

　　·优化稳压器环路稳定性、输出阻抗和负载瞬态响应

　　·将设计方案输出到 LTspice®

　　结论

　　我们可以有把握地开始电源管理电路布局。使用 LTPowerCAD 和 LTPowerPlanner 这类工具，可以大大简化对负载点稳压器以及各部分分析结果的映射任务。为了举例说明这些优势，本文采用了用于 Altera Arria 10 FPGA 和 SoC以及其他 Altera FPGA （包括电源树和材料清单） 的开发套件设计指南。访问以下网址可获得有关信息：www.linear.com.cn/altera。如需了解赛灵思 FPGA 开发套件，请访问：www.linear.com.cn/xilinx。这些开发套件均经过Altera 、赛灵思或第三方开发商的测试和验证。