更多精彩内容，请微信搜索“FPGAer俱乐部”关注我们。一、FPGA对DC-DC精度的要求不断提升 FPGA厂商不断采用更先进的工艺来降低器件功耗，提高性能，同时FPGA对供电电源的精度要求也越加苛刻，电压必须维持在非常严格的容限内，如果供电电压范围超出了规范的要求，就有会影响到FPGA的可靠性，甚至导致FPGA失效。 无论是Intel （Altera）FPGA还是Xilinx FPGA均在数据手册中明确提出了电源精度要求，其中要求最高的是内核和高速收发器的供电。举例来看，Intel公司的Cyclone V、Cyclone 10 GX、Arria10、Stratix 10的电源精度要求在±30mV以内 Arria10的core和transceiver数据手册上的供电要求（±30mV）： 

Stratix10的core和transceiver数据手册上的供电要求（±30mV）：

如果Stratix10需要支持26.6G transceiver时，收发器供电精度要求 ±20mV以内
 

Xilinx公司的Artix 7、Kintex7、Virtex 7等器件电源精度要求也是在±30mV以内，KU+、VU+器件要求电源精度必须达到±22mV以内。 
Kintek Ultrascale+的core和transceiver数据手册上的供电要求（±22mV）： 

由此可见，新一代FPGA的供电精度都在±20-30mv左右，已经是单板中对电源精度要求最为苛刻的器件之一了。 由于输出精度都是理论计算值，并没有考虑单板PCB布线和其他外部设备引入的干扰和误差，因此实际设计产品时，电源输出精度不但必须符合数据手册中的要求，还必须预留一定的余量，通常设计中，我们还会保留50%-100%余量，以保证系统长期可靠工作。 二、电源的稳态直流精度及计算方法 供电电源的稳态直流精度主要取决于两个因素：电压调整精度和输出电压纹波。这里有一个误区，很多工程师只通过DC-DC数据手册上的电压输出精度来判断器件是否符合要求，其实这是不正确的。 首先很多DC-DC需要外部反馈电阻来决定最终的输出电压，数据手册上的电压调整精度是指芯片本身的输出精度，并没有计算反馈电路引入的偏差。其次，器件数据手册上的电压输出精度并不包含输出电压纹波，必须将两者叠加计算才能得到正确的直流稳态精度。  正确的电源稳态直流精度的计算公式如下：•      电源直流稳态精度 =器件输出精度（这里要求全温度，全负载时的精度，很多器件手册只给出典型值，因此要小心)+ ½ 纹波 + 外部反馈电阻精度引入的误差 下面我们来计算几个常见的30A DC-DC电源芯片的电源直流稳态精度
1. TI公司的TPS53355， 输出1%精度，输出纹波20mv，需要使用反馈电阻，假设使用1%精度的反馈电阻，输出0.9V@30A情况下：电源直流稳态精度=9mV(器件输出精度)+10mV(1/2 纹波)+6mV(1%反馈电阻精度引入的误差)=25mV
2. LTM4630， 输出1.5%精度，输出纹波15mv，需要使用反馈电阻，假设使用1%精度的反馈电阻，输出0.9V@30A情况下：电源直流稳态精度=13.5mV(器件输出精度)+7.5mV(1/2 纹波)+3mV(1%反馈电阻精度引入的误差)=24mV 3.   Intel公司的EM2130L02QI 30A电源模块，输出0.5%精度，输出纹波7mv，不需要外部反馈电路，输出0.9V@30A 情况下：电源直流稳态精度=4.5mV(器件输出精度)+3.5mV(1/2 纹波)=8mV 可见，TPS53355和LTM4630的理论输出精度为24-25mv，对于大部分FPGA的30mv精度要求来说，只是在理论上满足，用户必须将PCB布线和其他外部设备引入的干扰控制在5mv以内，这个余量非常小，很难符合可靠性设计原则。而对于KU+，VU+或者需要支持26G收发器的Stratix10等器件，理论上TPS53355和LTM4630输出精度都超出了器件容限，无法满足这些新一代FPGA器件对电源的要求。  而Intel公司的EM2130模块是Intel公司专门针对FPGA等大规模芯片设计的电源模块产品，输出精度为0.5%，不需要任何外部反馈电阻，纹波只有7mv左右，最终电源直流稳态精度达到了惊人的8mV，有充分的设计余量可以满足当前任何FPGA的对电源精度的苛刻要求。  三、高精度电源对减低FPGA功耗的作用
除了电源精度影响整个系统的稳定性和可靠性，更高精度的电源还可以帮助我们降低系统功耗。 我们举一个例子，一个FPGA推荐的典型工作电压为0.85V，最高工作电压为0.88V，最低工作电压为0.82V， 假设供电DC-DC实际稳态直流精度是±30mV ，那么DC-DC必须正好工作在0.85V，如果电压更低，就会低于FPGA对电压下限的要求。 而Intel EM21xx系列电源模块的稳态直流精度理论值只有±8mV，考虑设计余量，我们使用±15mV作为实际工作精度， 那么在保证器件最低工作电压0.82V的情况下，输出电压可以设置在0.835V，而不是0.85V，根据功率计算公式P=U2 /R， 在30A情况下，可以降低0.765W功耗。       四、总结 电源是保证FPGA系统可靠的重要因素，随着FPGA对电压精度要求不断提高，大部分传统电源芯片或模块已经难以跟上FPGA芯片对精度要求。 Intel公司针对新一代FPGA的需求，专门设计了EM21xx系列数字电源模块，输出电流从20A到40A（即将推出60A模块），小体积，高效率，简单易用，精度完全满足所有新一代FPGA器件对电源的苛刻要求，并可以预留足够余量，确保电源系统的可靠性。 Intel EM21xx电源模块产品
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