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Enpirion电源解决方案:高端嵌入式系统理想之选

2016-01-20 11:33:45

[导读] 在技术进步和应用推动的双重助力下,FPGA和SoC不断向“全能王”迈进,其特性比以前更丰富、功能也越来越齐全,推动下一代嵌入式系统不断发展。与FPGA和SoC的复杂度对应的是,需要更高性能的电源与之匹配,以满足严格的散热、电源轨、可靠性等要求。而采用传统模拟的解决方案难以适应这一迫切的需求。在FPGA领域深耕的Altera,早已前瞻性地意识到这一挑战,通过收购整合和创新的布局,开发出Enpirion系列数字电源解决方案,全面应对新挑战。

在技术进步和应用推动的双重助力下,FPGA和SoC不断向“全能王”迈进,其特性比以前更丰富、功能也越来越齐全,推动下一代嵌入式系统不断发展。与FPGA和SoC的复杂度对应的是,需要更高性能的电源与之匹配,以满足严格的散热、电源轨、可靠性等要求。而采用传统模拟的解决方案难以适应这一迫切的需求。在FPGA领域深耕的Altera,早已前瞻性地意识到这一挑战,通过收购整合和创新的布局,开发出Enpirion系列数字电源解决方案,全面应对新挑战。

高端嵌入式系统电源管理挑战

FPGA和SoC集成度走高,不仅增加了大量IP模块,加入了大量的混合信号功能,诸如百万级的逻辑单元、几十Gbps高速收发器通路、硬核浮点DSP、集成ARM内核等,其所达到的系统级性能也可谓前所未有。如何给更高复杂性、更多不确定性的FPGA和SoC供电,同时又能满足系统低功耗设计的需求,已成为一个极具现实性和挑战性的问题。

这些挑战体现在以下几个方面:

1.满足严格的FPGA电源轨要求——因所需要的电源轨越来越多,FPGA电压要求越来越复

杂。以前,内核和I/O单元需要两个电源轨,还有可能采用第三个用于其他功能,而现在的高端FPGA会需要数十个外部驱动的电源轨。而且,还需要为内核电源轨VCC提供严格的±30 mV电源轨静态精度,为高速收发器电源轨提供更严格的精度。

2.满足系统功耗和散热预算限制——尽管高端FPGA和SoC系统的架构和集成度越来越高,但对系统功耗和散热的要求不降反升,性能与功耗比这个瓶颈需要创新的电源管理解决方案来突破。

3.构建鲁棒而又可靠的系统——高端嵌入式系统的目标市场包括数据中心、高清视频处理、医疗、工业等应用,这些系统对可靠性和安全性的要求更高,要求系统在面对异常和故障情况下能够保持正常的运作,保证人员的安全,所以可靠的电源管理系统至关重要。

4.符合预算要求按时完成其项目——系统的设计成本与设计周期一直是系统设计师最关注也是最渴望解决的难题。如何通过简化电源的设计来降低系统的成本并缩短设计周期?

这些复杂的性能要求需要建立特殊的、优化的定制处理资源,现有的电源解决方案,包括模拟转换器和分立的数字转换器都无法理想地满足高端嵌入式系统的需求。理想的电源管理解决方案除了要满足严格的FPGA电源轨要求,还需要在功耗和散热预算限制、可靠性、成本以及设计周期等要求之间找到最佳结合点,从而使解决方案的大小、功耗和性能达到一个完美的平衡。

Enpirion系列电源解决方案应运而生

普适计算、智能空间等概念前所未有地扩展了嵌入式系统的应用范围。根据Transparency Market Research的一份最新市场报告,2014年嵌入式系统市场容量为1529.4亿美元,预计将以6.4%的年复合增长率增长,到2021年市场容量将达2331.3亿美元。

嵌入式系统市场不断“刷新”表现,随着系统芯片不断地推陈出新, 而与之配套的电源管理芯片也正成为竞争胜出的关键之一所在。但从市场来看,解决这些难题非“量身定制”电源IC不可。Altera的Enpirion电源产品中国区高级业务经理张伟超提到,一般大型电源公司的电源IC会有很多不同的应用领域,例如消费类移动市场,车载市场,通讯市场等。他们不太会也不可能把全部的精力投入到FPGA/ASIC/SOC供电领域, 恰恰这个领域对电源性能要求极高且推广极具挑战而且,只有深刻地了解FPGA/SOC的核电源和高速接口供电特性,供应商才能设计出最适合其应用要求的电源IC,为整体的系统性能提升提供最佳的服务。

Altera的选择可谓“对症下药”,即通过收购电源企业来量身定制电源IC,在去年5月份即收购了Enpirion电源公司。通过近年来的不断整合和创新,开发出Enpirion系列电源解决方案全面应对新挑战。

在四大关键领域实现创新

Enpirion电源解决方案可说是“身怀绝技”,针对高端嵌入式系统的苛刻需求,在高频集成电路设计、磁体工程、电源封装和结构以及DC-DC系统工程4个关键领域实现创新,为系统带来显著优势。

高频IC技术——Enpirion器件采用LDMOS技术制造,IP非常适合支持高频工作。使用特殊的MOSFET设计方法,Altera不但提高了开关频率而且还降低了开关噪声。Enpirion器件的高频设计结合独特的封装技术,使功率密度提高了20%至50%,高度比最相近的模块竞争产品低20%。

前沿的磁体技术——Altera与最好的磁体供应商合作,开发前沿的磁体技术,这不但能够使电感集成到非常紧凑的开关转换器解决方案中,而且还能够优化电感,降低损耗,以最小的电流环实现非常低的EMI。

独特的电源封装和结构——Enpirion PowerSoC器件采用先进的电源封装和结构,以及特殊的封装技术和电感制造流程,比其他分立和模组电源解决方案引脚布局缩小20%到50%,大大节省PCB空间。此外,Enpirion PowerSoC作为完整的电源系统进行了测试,每一片PowerSoC都经过了验证,能够与集成组件一起工作,是一种即插即用的电源解决方案。实现了45,000多年平均无故障时间(MTBF),支持实现非常可靠的低风险电源设计。

先进的DC/DC系统工程——采用多种经过验证、高度集成的PowerSoC解决方案,Altera避免了很多复杂的电源设计面临的风险难题——从控制器补偿到外部元器件选择,功率级分析、时域仿真、验证、产品测试,直至稳定性等,Enpirion PowerSoC只需要很少的支持就能够优化实现独特的设计。

还有一个关键点在于,Enpirion电源模块基于先进的系统封装设计,能够提供业界领先的热降额性能。在这里,我们觉得有需要澄清一下目前客户工程师经常遇到的一个困惑。系统设计人员常常发现电源产品说明书首页上的输出电流额定值与热降额曲线图所示的实际输出电流不一致,这种状况导致产品比较工作相当困难。市场上某些产品说明书首页上特别标注的项目也未提及测量降额曲线的测试条件。这就是为什么在进行散热性能的比较前,设计工程师必须查看产品说明书的内页。在许多情况下,电源模块实际能输出的电流通常低于厂商在产品说明书首页中载明的数值。这种情况主要是由于测试设置和运行条件的差异造成的。

为了弄清楚模块的散热性能,设计工程师必须先了解是采用热成像摄像头,还是热电偶来进行温度测量。其次,还必须弄清楚是在印刷电路板的单点测量温度,还是出于对更高准确性的考虑,直接在诸如 FET、控制 IC 以及磁性部件等多组件处测量温度。再者,就是弄清楚散热测试设置模式。 部分厂商采用未受限设置方案; 而其他一些厂商采用受限设置方案——从而生成变化更为陡峭的 SOA 曲线。最后,系统设计人员必须弄明白当评价散热性能时,厂商是否允许内部组件的温度接近或达到最大温度限额。而使用模块方案的好处,是我们建议客户从热阻的角度出发去评估产品的热降额性能。这一点我们有专门的应用白皮书可以给用户提供一个更准确和客观的视角。

超越下一代嵌入式系统需求

Enpirion电源IC系列发挥了先进设计和制造技术的优势,实现了颠覆性的创新,可以说超越了下一代嵌入式系统的需求。Enpirion器件不仅可满足Altera第10代FPGA严格的要求,并可对系统其他器件供电,如ASIC、处理器以及FPGA周围的DDR存储器等。嵌入式系统开发人员可以马上采用具有 Enpirion 解决方案而且经过验证的参考设计和套件进行设计,如Cyclone V SoC 开发套件和 SoC 嵌入式套装,MAX 10 FPGA 开发套件,以及Arria 10 FPGA 开发套件和 FPGA 信号完整性套件,加快设计和产品上市。

除着力开拓通信、数据中心、工业、新能源等应用外,Altera的Enpirion电源方案也在全力开拓一些新兴应用市场。由于“出色”的表现,Enpirion系列产品在相关客户中应用得到了积极评价,采用Altera电源产品的客户在不断增多。一个明显的实例就是以华为、中兴和烽火为代表的国内领先通信企业已经选择了Altera的电源IC用来优化他们的系统设计和提升可靠性。

作为通信市场的领导者之一,华为需要开发新一代的RRU来保持它在无线市场的竞争力,但在用定制化的ASIC实现4.5G 系统的优化特性之前,必须尽快解决诸多挑战。Altera的FPGA+电源解决方案可帮助他们从根本上解决这些挑战。除了对系统功耗的优化之外,电源SoC也能帮助减少他们的板级所需空间,同时帮助提升在轻负载和重负载下的效率,最重要的是可满足他们世界级的产品和焊接可靠性要求。

张伟超表示:“Altera作为FPGA市场的领导者,通过提供更为先进的电源管理芯片,更好地帮助客户提升FPGA的性能,并通过最大程度的降低系统功耗和成本来简化系统设计,从而进一步释放先进的FPGA技术的潜能。”“集大成”的Enpirion电源方案将为Altera注入新的发展活力。展望未来,Altera的创新永不止步:将不断加强在电源方面的技术创新,包括更高的集成度、更高的产品效率, 更强健的焊接可靠性,数字环路动态调节并监控系统参数,最大程度地简化FPGA系统开发等,甚至会将电源模块集成进系统芯片内。在这条创新之路上,我们完全有理由期待更多创新与突破性能的电源模块芯片等着Altera去展现。

[整理编辑:CK365测控网]
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