TDK - 面向紧凑型高性能FPGA、SoC和ASIC的次世代垂直供电解决方案

　　随着人工智能 (AI) 和边缘应用日趋完善和复杂，对处理器、ASIC和FPGA/SoC的计算能力和电源要求也水涨船高。因为这些设备须在更狭小的空间内高效运行，同时保持高性能。垂直电源解决方案克服了传统离散式供电系统在空间效率和热管理方面的局限性。本文探讨了垂直电源的优势和应用，重点介绍了 TDK 的 μPOL，以及它如何解决下一代AI和边缘应用所面临的电源挑战。

　　垂直电源的需求

　　随着AI和宽带边缘通信计算能力的持续提升，新型处理器、ASIC和FPGA/SoC对DC-DC供电提出了更高的要求，比如纳入到更紧凑的板级空间和SoC电源集成中。TDK μPOL DC-DC转换器采用嵌入式芯片技术，即SESUB（半导体嵌入基板）技术，实现了更紧凑的尺寸，并无缝贴合1A到200A的垂直电源应用。垂直电源解决方案现已扩展至电压、辅助电压、总线电压以及高速串行器芯片电压等诸多应用。图1展示了采用嵌入式芯片技术实现可扩展垂直电源解决方案的示例。TDK μPOL可助您将传统离散式供电系统转变为更优的垂直电源设计。

　　图1：垂直电源组件的集成示例

　　当下的PCIe硬件加速器和FPGA SoM（模块化系统）设计对垂直电源和高密度解决方案的需求尤为突出。采用新型嵌入式芯片技术解决方案的DC-DC转换器目前在实际应用中可提供从100A/cm到500A/cm甚至更高的功率密度（见图2）。图示为功率更高、电流范围为1A至200A的更高端垂直电源解决方案。

　　

μPOL	Power Density	Watts
FS1525	127 A/cm3	45W/25A
FS1412	263 A/cm3	21W/12A
FS1606	408 A/cm3	15W/6A
FS3303	400 A/cm3	9.9W/3A

　图2：采用TDK μPOL解决方案的垂直电源
　　TDK μPOL赋能紧凑型设计并优化热管理

　　新的DC-DC转换器解决方案在一个完整的设计中集成了电源IC（集成电路）、电感器、自举电容和封装基板，非常适合垂直供电应用（见图3）。集成电感器不仅减小了平面占板空间，实现了低剖面，从而将装置尺寸压缩到1.2mm至4mm的范围内。

　　图3：采用TDK μPOL解决方案的垂直电源的三维视图电源IC晶片内置MosFET和驱动器，并封装在嵌入式芯片基板封装 (SeSUB) 层内，消除了焊线键合并限度减少了交互连接需求，从而避免了不必要的功率损耗。此外，晶片上采用铜再分配层，并通过层之间的细铜通孔连接到封装引脚，从而更有效地将芯片热量散到PCB板上。
　　AI和边缘应用示例

　　图4展示了PCIe硬件加速卡的通用电源框图。所用处理器可选ASIC、SoC或FPGA，外加通信接口结构和其它总线I/O。基于PCIe输入电源的预计规格，电源子系统的功率范围可在75W到150W之间。其中电流消耗来自处理器的Vcore电压轨，当下的电压范围为0.45V至0.9V，电流范围为25A到至150A。总电源解决方案可能包含5到15个POL设备。另外，可能需要更多POL电源来支持外围功能，比如USB、音频编解码器、视频接口和以太网GbE端口。鉴于此，紧凑型电源设计旨在满足日趋小型化的板载空间需求。

　　图4：AI硬件加速器（电源系统概况）
　　图5和图6为TDK μPOL在AI硬件加速卡电源解决方案中的应用示例。其中图5是一款电流为50A的完整解决方案，采用了两个并联了输入和输出电容器的FS1525设备，尺寸仅为27.9mm x 12.7mm。FS1525可扩展至8相，从而满足Vcore从25A到200A的电流范围需求。该设计具有优异的瞬态响应能力，响应时间从10A/s到200A/s+不等，可满足新型FPGA、ASIC和SoC的需求。同时，输出电压的精度可达±1% DC和±3% AC。该特点得益于其内置的2相（2个电感器）设计，使得每个电源模块都具有更高的有效频率（范围为1MHz到16MHz）。内置调节器同样设计精巧，有效减少了外部负载元件的数量。该解决方案厚度不到4mm，能安装在散热片或封装的处理器或FPGA防尘罩下方。在整个电源模块结构中，FS1525的高度仅为3.8mm。诸多优势促成了新颖的垂直电源设计，有望让POL设备更靠近目标负载，无论该负载是位于PCIe板或类似紧凑装置（1U到3U或SoM）的顶部还是底部。图6则以50A电源解决方案的典型电路图为例展示了FS1525的外部组件的高度集成。图中，两个FS1525设备在电流共享模式提供50A的电源。

　　下文表1提供了一个适合各种AI SoC/FPGA和ASIC以及边缘SoC的可扩展垂直电源解决方案（电流范围为25A至200A）示例。

　　图5：高功率密度的50A DC-DC电源解决方案

　　图6：典型电路图（FS1525在高功率密度50A DC-DC电源解决方案中的应用）表1：适合各种AI SoC/FPGA/ASIC与边缘SoC的垂直电源解决方案（Vcore电源电流范围为25A到200A）TDK μPOL的亮点及优势
　　TDK面向DC-DC电源应用的解决方案具有以下主要优势，广泛适合各种场景：
　　非常适合紧凑型DC-DC电源模块
　　·尺寸和厚度
　　·高度集成且更简单的物料清单（限度减少外部元件）·更简易的设计：简单的电路图和PCB布局，支持Spice和Simplis工具更坚固的结构
　　·在无气流情况下具有更好的热性能
　　·宽广的工作温度范围：-40°C至+125°C
　　支持可扩展的电源设计
　　·1A至200A的电源模块，实现完整的DC-DC电源解决方案·输出电压范围：0.4V到5V
　　·电源功能：遥测、故障设置与控制，输出电压设置（通过I2C/PMBus）·可通过添加设备来扩展配置
　　可持续性
　　·使用寿命长（10至15年以上）
　　·引脚配置兼容性好，满足不同厂商的设备需求面向AI和边缘应用的TDK电源参考设计
　　TDK的若干电源参考设计已经投产，可满足主流处理器、FPGA/SoC以及专用AI ASIC的需求。其中一些设计可在TDK和合作伙伴网站上找到。以下是部分设计列表：
　　TDK μPOL在AMD Versal中的应用

　　Avnet AMD-Xilinx Versal Edge参考设计平台计划于2025年季度推出。该设计的启动器电路图和Simplis设计库可在TDK网站上找到。此设计将用于AMD的VersalEdge系列VE2302自适应计算加速平台，也即是一款AI SoC/FPGA。该设计中采用了TDK的FS1525 (50A) 和FS1406（1A至6A）来实现紧凑的SOM和载板电源设计。图7所示为即将发布的参考设计平台。应用领域包括：人工智能、机器学习、边缘计算、边缘传感器（雷达、LiDAR）、机器人。

　　图7：Avnet的Versal AI Edge系列VE2302模块化系统TDK μPOL在Altera Agilex中的应用

　　AgilexFPGA/SoC非常适合带集成GbE能力的边缘应用。该参考设计预计于2025年初推出，适用于Agilex 5开发套件（由Arrow和Altera联合开发）。该设计将采用FS1525 (25A)、FS1606（1A至6A）以及其它TDK μPOL装置，为Agilex 5提供完整的电源设计。FS1525支持SmartVID，能在SmartVID上实现电流范围从25A至200A的可扩展Vcore电源，并能通过PMBus与Intel Altera的Quartus/SDM控制进行通信。另外，FS1006-3300 (3.3V) 也非常适合边缘通信应用，支持Altera的Agilex系列用于QSFP千兆以太网（功率达10W，带宽范围为10 Mbps至2.5Gbps）。Altera的Agilex系列（含Agilex 7和Agilex 5）的启动器电路图和Simplis设计库可在TDK上找到。更多详情将于2025年季度发布。下文图8展示了Agilex 5电源解决方案的示例，其中包括适合各种Agilex芯粒选项和电压轨合并（旨在限度减少POL设备数量）的电源选项。TDK μPOL的紧凑尺寸和高功率密度非常贴合Agilex 5的要求，详见图9。图9显示了FS1525在Agilex 5的VCC (Vcore) 应用，工作电流为25A，尺寸为6.8mm x 7.6mm x 3.8mm（高），其中电源模块还集成了电感器。图10展示了采用FS1525满足Agilex 5 Vcore电压轨在低纹波电压和瞬态响应方面的性能要求。

　　图8：TDK μPOL – 面向Altera的Agilex 5统一电源解决方案  

    图9：TDK用于Agilex 5的FS1525 (25A),完整物料清单解决方案，支持SmartVID图10：TDK用于Agilex 5的FS1525 (25A)，满足纹波电压和瞬态响应方面的性能要求适合各种嵌入式处理器、FPGA/SoC和ASIC应用的TDK电源参考设计下表2提供了适合低端、中端和高端嵌入式处理器、FPGA/ASIC、边缘GbE设备的快速参考指南，可作为DC-DC解决方案（5W至200W+）中TDK μPOL装置的快速选型参考。所有这些装置及类似元件都须根据DC-DC解决方案的需求调节。如需有关参考设计的更多详情，包括电路图，请从下面表单中相关资料以协助您的设计工作。