深度認(rèn)識(shí)Enpirion突破性FPGA電源解決方案

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眾所周知，Altera在去年做出驚人的跨界收購(gòu)，意在提速橫向整合，掌握高整合電源芯片系統(tǒng)（PowerSoC）核心技術(shù)，協(xié)助客戶解決FPGA電源設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)。與非網(wǎng)有幸在“Altera 2014年度技術(shù)巡展”之際，采訪了Altera Enpirion產(chǎn)品中國(guó)區(qū)高級(jí)業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超，第一時(shí)間了解到Altera與Enpirion“聯(lián)姻”以來(lái)的效果。

聯(lián)姻結(jié)果一：成功解決當(dāng)前FPGA設(shè)計(jì)中的五大難題

張偉超從五個(gè)方向詳細(xì)展示了Enpirion產(chǎn)品在FPGA電源設(shè)計(jì)方面所表現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：
挑戰(zhàn)一：PCB可用空間有限
在空間有限的PCB板上放置更多的器件以實(shí)現(xiàn)更多性能，對(duì)電源工程師來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

Enpirion 產(chǎn)品號(hào)稱業(yè)界集成度最高的電源解決方案，與其他分立開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和模塊相比，極大的減小了負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓所需要的PCB面積和高度，實(shí)現(xiàn)最高功率密度和最小外形封裝。

? Enpirion產(chǎn)品中國(guó)區(qū)高級(jí)業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超

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挑戰(zhàn)二：企業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)、通信等市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的高可靠性要求
若電源解決方案采用來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的分立器件進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝，由于每個(gè)分立器件有自己的使用壽命與工作條件，所以很難保證系統(tǒng)在連續(xù)、高強(qiáng)度工作情況下的穩(wěn)定性與可靠性。

Enpirion PowerSoC是集成電源解決方案，它將很多外圍器件集成到產(chǎn)品內(nèi)部，作為完整的電源系統(tǒng)，進(jìn)行了專門(mén)的仿真測(cè)試、特征測(cè)試、驗(yàn)證和制造測(cè)試，用更少的元器件和嚴(yán)格受控的IC制造工藝，實(shí)現(xiàn)高可靠性。

挑戰(zhàn)三：客戶對(duì)最優(yōu)電源轉(zhuǎn)換率的需求
由于散熱、成本等原因，提高電源轉(zhuǎn)換率，為客戶提供最優(yōu)的電源轉(zhuǎn)換效率成為FPGA電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)挑戰(zhàn)。

Enpirion電源解決方案表現(xiàn)出卓越的高效和熱性能。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，PowerSoC效率高達(dá)96%，高效的器件達(dá)到工業(yè)級(jí)要求，85oC環(huán)境溫度時(shí)，大部分不需要負(fù)載降額或者氣流散熱。

挑戰(zhàn)四：高速數(shù)據(jù)傳輸、RF、鎖相環(huán)電路對(duì)噪聲的要求
高速數(shù)據(jù)傳輸、RF、鎖相環(huán)電路相比一般電路對(duì)噪聲更敏感，它們需要一個(gè)“安靜”的電源。由于DC-DC電源即開(kāi)關(guān)式電源在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量開(kāi)關(guān)噪聲。所以，很多設(shè)計(jì)者選用效率較低的線性電源。

PowerSoC可以同時(shí)解決開(kāi)關(guān)噪聲與低轉(zhuǎn)換率的問(wèn)題，它采用DC-DC電源方案，在保持效率領(lǐng)先的情況下在某些應(yīng)用上還可以實(shí)現(xiàn)與線性電源一樣的低噪聲性能。

挑戰(zhàn)五：工程師資源限制與快速投放市場(chǎng)的需求
由于電源工程師資源緊缺的限制，數(shù)字電路設(shè)計(jì)公司希望購(gòu)買(mǎi)的電源產(chǎn)品簡(jiǎn)單且易于開(kāi)發(fā)，加速產(chǎn)品面市。

PowerSoC支持“一站式”設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)者只需三個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)步驟，相對(duì)于分離開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器顯著降低了設(shè)計(jì)難度、 并極大地縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。針對(duì)Altera本身的FPGA產(chǎn)品，如MAX10，客戶購(gòu)買(mǎi)FPGA不需針對(duì)電源做額外設(shè)計(jì)，只需使用Enpirion提供的電源參考設(shè)計(jì)方案即可。

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聯(lián)姻結(jié)果二：業(yè)界領(lǐng)先的電源解決方案

三大核心技術(shù)帶來(lái)最優(yōu)性能

高密度PowerSoC的關(guān)鍵推動(dòng)力量——Enpirion三大核心技術(shù)，即高頻IC技術(shù)、磁體工程技術(shù)、電源封裝和構(gòu)建技術(shù)，確保了電源PowerSoC與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手電源模塊相比有更好的性能。

高頻IC技術(shù)——實(shí)現(xiàn)PCB最小尺寸
高頻率開(kāi)關(guān)IC設(shè)計(jì)技術(shù)，可使器件工作在更高頻率（一般工作頻率為500k~1M，PowerSoC提供最高工作頻率為5M）。外圍器件在高工作頻率的情況下，尺寸非常小，容易被集成到芯片內(nèi)部。從而實(shí)現(xiàn)PCB尺寸更小。

磁體工程——實(shí)現(xiàn)低損耗
得益于Enpirion獨(dú)特的磁材料與工藝技術(shù)，電感可進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，不僅易被集成到芯片內(nèi)部，而且在高頻工作情況下，可實(shí)現(xiàn)非常低的開(kāi)關(guān)損耗與EMI的輻射。

Enpirion三大核心技術(shù)

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電源封裝和構(gòu)建——實(shí)現(xiàn)更高可靠性
獨(dú)特的電源封裝與構(gòu)建技術(shù)可保證PowerSoC將眾多外圍器件集成到芯片內(nèi)部，有效降低器件之間的相互干擾，從而保證電源的可靠性。同時(shí)實(shí)現(xiàn)低紋波、低噪聲。

最優(yōu)性能展示

低輻射噪聲
如下對(duì)比圖可清晰看到Enpirion電源產(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)器件相比，在輻射噪聲方面的明顯優(yōu)勢(shì)。

輻射噪聲對(duì)比圖：Enpirion產(chǎn)品（左）與競(jìng)爭(zhēng)器件（右）

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低紋波
如何在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),實(shí)現(xiàn)更高電源效率、更快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、更低輸出紋波和更小尺寸的完美結(jié)合, 一直是系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)人員不斷努力追求的目標(biāo)。如今，Enpirion的PowerSOC方案將卓越的高效率、超穩(wěn)定性，極快的瞬態(tài)響應(yīng)與創(chuàng)新的電感集成封裝技術(shù)結(jié) 合在一起，確保了系統(tǒng)在整個(gè)負(fù)載范圍的最佳電源密度和熱性能，為設(shè)計(jì)人員提供了理想性能的電源選擇。

Enpirion獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)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(nèi)測(cè)量的Enpirion的輸出紋波，比很多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(dāng)前電流回路的面積顯著減小，有利于降低輻射功率。

如下圖所示：

500MHz帶寬條件下紋波對(duì)比圖：Enpirion產(chǎn)品（左）與競(jìng)爭(zhēng)器件（右）

快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)比圖：Enpirion產(chǎn)品（左）與競(jìng)爭(zhēng)器件（右）

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部分特殊特性展示

? 降低系統(tǒng)功耗的SmartVID特性
? PMBus遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)器件狀態(tài)(IOUT, VIN, VOUT, T)
? 高精度差分遠(yuǎn)程檢測(cè)
? 自適應(yīng)數(shù)字控制環(huán)實(shí)現(xiàn)快速瞬間響應(yīng)

更多PowerSOC產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)汽車工業(yè)級(jí)規(guī)格測(cè)試認(rèn)證，提供更為可靠的品質(zhì)保證。

聯(lián)姻結(jié)果三：案例展示

MAX 10 FPGA評(píng)估套件是一款簡(jiǎn)單、低成本的設(shè)計(jì)平臺(tái)，適用于評(píng)估MAX 10 FPGA和Enpirion PowerSoC技術(shù)。套件含有10M08SAE144C8G和EP5388，如下圖紅色標(biāo)記區(qū)域。

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MAX 10開(kāi)發(fā)套件電源樹(shù)，如下圖展示。

綜上可見(jiàn)，PowerSoC可為計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和電信、工業(yè)和嵌入式、企業(yè)存儲(chǔ)、測(cè)試和測(cè)量、光網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)的電源解決方案。Altera與Enpirion的“聯(lián)姻”為FPGA電源設(shè)計(jì)帶來(lái)創(chuàng)新之“源”！?