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

　　FPGA 或其支持 IC 在装入某个完整系统时所表现的性能与其在试验台上单独测试时所呈现的性能指标会有所不同。诸如焊料的种类、温度、PCB 布局、走线阻抗和装配工艺等因素会影响组件的性能。例如：倘若 FPGA 的内核电压被调节在一个非期望的数值而这导致运行速度的减慢，那么系统的计算能力将会下降。在某些场合中，质量控制人员不得不将某个偏离其预期性能的系统判为不合格。

　　为此，当工程师在合格性查验或组装期间评估性能时，他们必需具备以小幅增量来提升或降低输出电压的能力。此项功能被称为“裕度调节”。在前面的例子中，可以提高内核电压以使 FPGA 的工作频率达到其期望的水平。这种裕度调节功能还能有助于系统制造商在生产过程中提升总体良率。

　　在最近与一位系统设计师的讨论中，我们了解到他的电源要求是：调节 1.5V 电压，并向一个由 4 个 FPGA 组成的负载输送高达 40A 的电流。这意味着必须在狭小的面积和尽可能低的高度之内 (以提供流畅的气流进行冷却) 输送高达 60W 的功率。电源必须是可以表面贴装的，并以足够高的效率运作，旨在最大限度地减少热耗散。另外，他还要求解决方案尽可能地简单，这样他就可以把时间全部投入到更加复杂的工作中去。除了精准的电性能以外，这种解决方案还必须快速去除 DC-DC 转换期间产生的热量，这样在它附近的电路和 IC 就不会发生过热。此类解决方案需要一种创新型设计以满足下列标准：

　　1. 非常扁平以提供有效的气流并防止对周围的 IC 产生“热遮蔽”;

　　2. 高效率以最大限度地减少热耗散;

　　3. 均流能力以均匀地散播热量，从而消除热点并尽量降低或免除增设散热器的需要;

　　4. 内置于表面贴装型封装之中的完整 DC/DC 电路，包括 DC/DC 控制器、MOSFET、电感器、电容器和补偿电路，以实现灵活而简易的解决方案。

　　DC/DC 设计中的创新

　　创新是一种模块化 (但采用表面贴装) 的方法，这种方法运用了高效 DC/DC 转换、精准均流和低热阻抗封装，以在只需采取极少冷却处理的情况下提供输出功率。由于外形扁平并在 4 个器件之间实现了功率均分，因此采用该解决方案的系统仅凭较少的风扇或较低的扇速即可满足散热要求，而所需的散热器极少或根本不需要布设散热器。以上特点有助于实现一个成本较低的系统，其去除热量所消耗的功率较少。图 1 示出了用于此类电路的测试板。这款设计可调节 1.5A 输出并提供 40A (最高可达 48A) 的负载电流。每个“黑色方块”都是一个完整的 DC/DC 电路，并内置于一个 15mm x 15mm x 2.8mm 表面贴装型封装之中。由于只需使用少量的输入和输出电容器，因此采用这些 DC/DC µModule系统的设计就和照片上显示的一样简单。