Hoe compacte en efficiënte stroomoplossingen voor FPGA's te ontwikkelen

FPGA's (Field Programmable Gate Arrays) worden in toenemende mate gebruikt ter ondersteuning van krachtige computers in video- en beeldverwerking, medische systemen, auto- en ruimtevaarttoepassingen, en kunstmatige intelligentie (AI) en machinaal leren (ML). De voeding van een FPGA is een complexe en kritische functie waarbij een groot aantal en verschillende stroomrails betrokken zijn, en sommige snel tot 50 ampère (A) nodig hebben.

Voor een goede werking van een FPGA moeten stroomrails worden in- en uitgeschakeld, moeten zij monotoon stijgen en dalen, en hebben zij een hoge spanningsnauwkeurigheid en snelle transiënte reacties nodig. Bovendien moeten de regelaars voor gelijkstroom naar gelijkstroom (DC/DC) die de verschillende spanningen leveren, klein zijn zodat zij in de buurt van de FPGA kunnen worden geplaatst om de parasieten in de stroomdistributielijnen te minimaliseren, en zij moeten efficiënt zijn om de temperatuurstijging in de buurt van de FPGA te minimaliseren. In sommige systemen moeten de DC/DC-regelaars dun genoeg zijn om op de achterkant van de printplaat (pc-board) te worden gemonteerd.

Hoewel het mogelijk is om zeer efficiënte en krachtige DC/DC-regelaars te ontwerpen met het noodzakelijke geïntegreerde digitale vermogensbeheer, is het een enorme uitdaging om dit te doen in een zeer compact, laag profiel formaat. Het kan leiden tot talrijke ontwerpiteraties en afleiden van het ontwerp van het FPGA-systeem, waardoor de marktintroductietijd wordt vertraagd en de systeemprestaties afnemen.

Ontwerpers van FPGA-voedingssystemen kunnen zich wenden tot volledig geteste en gecontroleerde geïntegreerde DC/DC-regelaars die alle componenten bevatten in compacte en thermisch efficiënte land grid array (LGA) en ball grid array (BGA) pakketten, die geschikt zijn voor integratie direct naast de FPGA om de prestaties van het voedingssysteem (en de FPGA) te maximaliseren.

In dit artikel worden de voedingsbehoeften van FPGA's besproken, met de nadruk op spanningsnauwkeurigheid, transiënte respons en spanningsvolgorde, en worden de uitdagingen met betrekking tot thermisch beheer gedetailleerd beschreven aan de hand van operationele voorbeelden. Vervolgens worden geïntegreerde DC/DC-regelaars gepresenteerd die geschikt zijn voor FPGA-voeding van Analog Devices, waaronder regelaars met een laag profiel die op de achterkant van de printplaat kunnen worden gemonteerd, samen met evaluatieborden en integratiesuggesties om het ontwerpproces te versnellen.

FPGA-vermogensvereisten

Functies binnen FPGA's zoals de kernlogica, input/output (I/O) circuits, hulpcircuits en transceivers vereisen verschillende voedingssporen. Deze worden gewoonlijk geleverd door middel van een gedistribueerde vermogensarchitectuur met een of meer DC/DC-regelaars, ook wel point-of-load (POL)-regelaars genoemd, voor elke stroomrail. Hoewel de meeste van deze regelaars gebruik maken van schakelende vermogensomzetting voor maximale efficiëntie, kan voor ruisgevoelige schakelingen, zoals zendontvangers, het gebruik van lineaire (LDO) regelaars met lage uitval nodig zijn.

In kleine systemen is de bulkspanning van de stroomverdeling gewoonlijk 5 of 12 volt gelijkstroom (V_DC) die de POL's rechtstreeks kan voeden. In grotere systemen kan de distributiespanning 24 of 48 V_DC zijn. Wanneer hogere distributiespanningen worden gebruikt, wordt een step-downregelaar gebruikt om de distributiespanning te verlagen tot 5 of 12 V_DC op een tussenliggende spanningsbus die de POL's voedt. De POL's leveren de lage spanningen die nodig zijn voor de afzonderlijke FPGA-voedingssporen (Afbeelding 1). Elke stroomrail heeft specifieke eisen met betrekking tot nauwkeurigheid, transiënte respons, opeenvolging en andere parameters.

Afbeelding 1: Voor de voeding van een FPGA zijn meerdere POL-regelaars nodig. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De core POL is gewoonlijk de meest kritische energiebron in een FPGA. Het kernvermogen kan lager zijn dan 1 V_DC met tientallen ampères stroom, en heeft vaak een nauwkeurigheidseis van ±3% of beter om logische fouten te voorkomen. Bijvoorbeeld, voor een FPGA met een specificatie van ±3% kernspanningstolerantie biedt een regelaar met een nauwkeurigheid van ±1,5% nog eens ±1,5% voor transiënten. Als de POL een goede transiënte respons heeft, levert dat solide prestaties. Een regelaar met een nauwkeurigheid van ±2% kan het echter een uitdaging maken om de vereiste prestaties te bereiken. Er is slechts ±1% beschikbaar voor de transiëntrespons, wat de toevoeging van bypasscondensatoren vereist en mogelijk leidt tot logische fouten tijdens transiënten.

De ups en downs van sequencing

FPGA's stellen niet alleen hoge eisen aan het vermogen tijdens de werking, maar moeten ook de verschillende stroomrails in specifieke volgordes en met precieze timing in- en uitschakelen. Moderne FPGA's hebben vaak talrijke voedingssporen die in een paar groepen zijn georganiseerd die samen kunnen worden in- en uitgeschakeld. Altera Arria 10 FPGA's van Intel hebben bijvoorbeeld vermogensdomeinen die in drie groepen zijn ingedeeld. Deze groepen moeten worden ingeschakeld in volgorde van groep 1 (met zes spanningsrails) naar groep 2 (ook zes spanningsrails) naar groep 3 (drie rails), en in omgekeerde volgorde worden uitgeschakeld om schade aan de FPGA te voorkomen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Voor FPGA's moeten de stroomrails in een bepaalde volgorde worden op- en afgeschakeld. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het koel houden

Met zoveel regelaars dicht bij de FPGA is thermisch beheer een probleem. Analog Devices heeft een printplaat samengesteld om enkele opties voor thermisch beheer te demonstreren bij het gebruik van meerdere regelaars (Afbeelding 3). De thermische prestaties worden beïnvloed door de relatieve plaatsing van de regelaars, de richting en hoeveelheid van de luchtstroom en de omgevingstemperatuur.

Afbeelding 3: Demobord voor thermisch beheer van parallelle regelaars. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Voor de eerste vergelijking wordt de temperatuur gemeten op zeven plaatsen op de demokaart; de plaatsen 1 tot en met 4 tonen de oppervlaktetemperatuur van de modules en de plaatsen 5 tot en met 7 tonen de oppervlaktetemperatuur op de printplaat (Afbeelding 4). In beide thermografieën zijn de buitenste modules koeler, omdat zij profiteren van de grotere warmteafvoer door het gebruik van de printplaat aan drie zijden, vergeleken met de middelste modules die slechts aan twee zijden warmte afvoeren. De luchtstroom is ook belangrijk. In de linkse thermografie is er 200 lineaire voet per minuut (LFM) luchtstroom afkomstig van de onderkant van de printplaat, terwijl er in de rechtse afbeelding geen luchtstroom is. De modules en printplaat met luchtstroom zijn ongeveer 20°C koeler.

Afbeelding 4: Het toevoegen van een luchtstroom van 200 LFM vermindert de temperatuur van de module en de printplaat aanzienlijk (links). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Ook de richting van de luchtstroom en de omgevingstemperatuur zijn belangrijk. De luchtstroom van 400 LFM van rechts naar links duwt de warmte van de ene module naar de andere, met als resultaat dat de koelste module zich rechts bevindt, de middelste modules het heetst zijn en de module links er tussenin zit (Afbeelding 5, links). Om te proberen de hogere omgevingstemperatuur te compenseren, zijn koellichamen geplaatst op de modules die bij 75 °C werken. Onder deze extreme omstandigheden worden de modules aanzienlijk heter, zelfs met de extra koeling (Afbeelding 5, rechts).

Afbeelding 5: Het effect van 50 °C (links) en 75 °C (rechts) omgevingstemperatuur met 400 LFM luchtstroom van rechts naar links over de printplaat. (Bron afbeelding: Analog Devices)

LGA- en BGA-pakketten voor montage aan de achterzijde

De LTM4601 familie van 12 A continu (14 A piek) step-down DC/DC-regelaars biedt ontwerpers de keuze uit een 15 × 15 × 2,82 millimeter (mm) LGA of een 15 × 15 × 3,42 mm BGA-pakket. Ze hebben een ingangsspanningsbereik van 4,5 tot 20 V_DC en kunnen uitgangen leveren van 0,6 tot 5 V_DC met uitgangsspanningstracking en margining. Ze hebben een regeling van ±1,5% en een piekafwijking van 35 mV voor dynamische belastingswisselingen van 0% tot 50% en 50% tot 0% van volledige belasting, met een settlingtijd van 25 microseconden (µs).

Deze regelaars zijn verkrijgbaar met en zonder een ingebouwde differentiële remote sense versterker waarmee een uitgangsspanning onafhankelijk van de belastingsstroom nauwkeurig kan worden geregeld. De LTM4601IV#PBF zit bijvoorbeeld in een LGA, en de LTM4601IY#PBF in een BGA, en beide hebben een ingebouwde differentiële remote sense versterker. Toepassingen die de ingebouwde versterker niet nodig hebben, kunnen de LTM4601IV-1#PBF in een LGA of de LTM4601IY-1#PBF in een BGA gebruiken. Deze modules zijn complete DC/DC-regelaars, die alleen ingangs- en uitgangscondensatoren nodig hebben om aan specifieke ontwerpvereisten te voldoen (Afbeelding 6). Het lage profiel van deze modules maakt het mogelijk ze op de achterkant van de printplaat te monteren.

Afbeelding 6: μModule-regelaars zijn complete vermogensconvertors in thermisch verbeterde verpakkingen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Analoog Devices biedt het DC1041A-A demonstratiecircuit om de evaluatie van LTM4601-regelaars te versnellen. Hij heeft een ingangsspanningsbereik van 4,5 tot 20 V_DC, en een uitgangsspanning die door een jumper kan worden geselecteerd en kan worden geprogrammeerd om samen met de uitgang van een andere module op en neer te gaan of deze ratiometrisch te volgen.

Ultradunne regelaars

Dankzij de 1,82 mm hoogte van de 16 × 11,9 mm LGA-pakket van de LTM4686 van Analog Devices kunnen deze dubbele 10 A- of enkele 20 A-regelaars dicht genoeg bij een FPGA worden geplaatst dat de apparaten een gemeenschappelijk koellichaam kunnen delen, wat het thermisch beheer vereenvoudigt. Bovendien passen deze regelaars op de achterkant van de printplaat. Geïntegreerd digitaal vermogensbeheer met behulp van het PMBus-protocol ondersteunt configuratie op afstand en real-time bewaking van uitgangsstroom, spanning, temperatuur en andere parameters. De LTM4686IV#PBF werkt van 4,5 tot 17 V_DC en de LTM4686IV-1#PBF van 2,375 tot 17 V_DC. LTM4686-modules ondersteunen uitgangen van 0,5 tot 3,6 V_DC met een maximale uitgangsfout van ±0,5%. Deze regelaars kunnen 18 A leveren bij 1 V_DC van een 5 V_DC ingang bij +85 °C omgeving met 400 LFM luchtstroom.

Ontwerpers kunnen het DC2722A demonstratiecircuit in combinatie met de LTpowerPlay software gebruiken om de mogelijkheden van LTM4686 modules te verkennen. Om alleen de regelaar te evalueren, kan de DC2722A worden ingeschakeld met de standaardinstellingen zonder dat PMBus-communicatie nodig is. Door de software en de PMBus-dongle toe te voegen, kunnen ontwerpers de volledige digitale vermogensbeheermogelijkheden verkennen, inclusief het direct herconfigureren van het onderdeel en het bekijken van telemetrie-informatie.

Overwegingen bij de layout van de printplaat

Hoewel er weinig elektrische overwegingen zijn bij het parallelliseren van μModule-regelaars om FPGA's van stroom te voorzien, zijn parameters met betrekking tot afstand, vias, grondvlakken en luchtstroom belangrijk. Gelukkig vereenvoudigt het ontwerp van de LGA-voetafdruk de lay-out van de voedings- en aardingsvlakken en zorgt het voor een solide thermische verbinding met de printplaat. Het plaatsen van vier parallelle μModule-regelaars is een eenvoudige kwestie van het herhalen van de LGA-voetafdruk (Afbeelding 7). Behalve in ongewoon moeilijke omstandigheden, zorgt de thermisch verbeterde verpakking, samen met het vermogensvlak, meestal voor voldoende koeling van de modules.

Afbeelding 7: De LGA-voetafdruk van μModule-regelaars vereenvoudigt het parallelleren van meerdere modules en ondersteunt betere thermische prestaties. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Ter ondersteuning van krachtige computertoepassingen vereisen FPGA's een nauwkeurig en efficiënt energiebeheer met een snelle reactietijd. Het voeden van de talrijke spanningsrails in een FPGA is een complexe uitdaging die kan worden aangegaan met geïntegreerde μModule DC/DC-regelaars van Analog Devices. Deze regelaars bieden ook de nodige elektrische en thermische prestaties in compacte en gemakkelijk te integreren pakketten.