Hur man utvecklar kompakta och effektiva strömförsörjningslösningar för FPGA:er

FPGA:er (Field Programmable Gate Arrays) används i allt större utsträckning för att stödja högeffektiv databearbetning inom video- och bildbehandling, medicintekniska system, bil- och flygtillämpningar samt artificiell intelligens (AI) och maskininlärning (ML). Att strömförsörja en FPGA är en komplicerad och vital funktion som involverar ett stort antal olika strömmatningar, där vissa behöver leverera upp till 50 A, snabbt.

För korrekt FPGA-drift måste strömmatningarna slås på och av i ordningsföljd, de måste stiga och sjunka monotont och de behöver en hög spänningsnoggrannhet och ett snabbt transientsvar. Dessutom måste de DC-DC-regulatorer som levererar de olika spänningarna vara små så att de kan placeras i närheten av FPGA:n för att minimera parasitvärden i strömförsörjningsbanorna, och de måste vara effektiva för att minimera temperaturökningen i närheten av FPGA:n. I vissa system måste DC/DC-regulatorerna vara tillräckligt tunna för att kunna monteras på baksidan av kretskortet.

Det är möjligt att konstruera högeffektiva DC/DC-regulatorer med hög prestanda, med den nödvändiga integrerade digitala strömhanteringen, men att göra det i ett mycket kompakt format med låg profil är en enorm utmaning. Det kan resultera i många konstruktionsiterationer och bli en distraktion från konstruktionen av FPGA-systemet, vilket försenar marknadsintroduktionen och minskar systemets prestanda.

Konstruktörer av strömförsörjningssystem för FPGA:er kan använda sig av fullständigt testade och verifierade integrerade DC/DC-regulatorer som innehåller alla komponenter i kompakta och värmeeffektiva LGA- och BGA-kapslingar, och är lämpliga för integrering i direkt anslutning till FPGA:n för att maximera prestandan i strömförsörjningssystemet (och FPGA:n).

Artikeln granskar FPGA:ernas behov av strömförsörjning med fokus på spänningsnoggrannhet, transientsvar och spänningssekvensering, samt en detaljerad beskrivning av utmaningarna i samband med värmehantering, med hjälp av driftsexempel. Därefter presenteras integrerade DC/DC-regulatorer från Analog Devices som lämpar sig för strömförsörjning av FPGA, inklusive regulatorer med låg profil som kan monteras på baksidan av kretskortet, tillsammans med utvärderingskort och integrationsförslag för att skynda på konstruktionsprocessen.

Strömförsörjningsbehov i FPGA:er

Funktioner i FPGA:er som kärnlogik, I/O-kretsar (in-/utgångar), kringkretsar och transceivers kräver olika strömmatningar. Dessa strömförsörjs vanligtvis med hjälp av en distribuerad kraftarkitektur med en eller flera DC/DC-regulatorer, även kallade POL-regulatorer (belastningspunktsregulatorer), för respektive strömmatning. De flesta av dessa regulatorer använder en switchad strömtransformering för maximal effektivitet, men störkänsliga kretsar, som t.ex. sändare, kan kräva användning av LDO-regulatorer (linjära regulatorer med lågt spänningsfall).

I små system är merparten av spänningen vanligtvis 5 eller 12 V_DC, som kan strömförsörja belastningspunkterna direkt. I större system kan distributionsspänningen vara 24 eller 48 V_DC. När högre distributionsspänningar används, måste vanligtvis nedtransformering ske för att sänka distributionsspänningen till 5 eller 12 V_DC på en mellanspänningsbuss som försörjer belastningspunkterna. Belastningspunkterna tillhandahåller de låga spänningar som krävs för de enskilda FPGA-strömmatningarna (figur 1). Respektive strömmatning har specifika krav på noggrannhet, transientsvar, ordningsföljd och andra parametrar.

Figur 1: Flera POL-regulatorer behövs för att strömförsörja en FPGA. (Bildkälla: Analog Devices)

Core POL är vanligtvis den mest kritiska strömkällan i en FPGA. Kärnströmmen kan vara under 1 V_DC med tiotals ampere ström, och har ofta ett krav på noggrannhet på ±3 % eller bättre för att förhindra logikfel. Som exempel, för en FPGA med en spänningstoleransspecifikation på ±3 % för kärnspänningen, ger en regulator med en noggrannhet på ±1,5 % ytterligare ±1,5 % i transienter. Om belastningspunkten har ett bra transientsvar kommer det att ge en stabil prestanda. En regulator med en noggrannhet på ±2 % kan dock göra det svårt att uppnå den prestanda som krävs. Det finns bara ±1 % tillgängligt för transientsvar, vilket kräver att man lägger till förbikopplingskondensatorer som potentiellt kan leda till logikfel vid transienter.

Sekvenseringens upp- och nedgångar

Förutom att FPGA:erna har höga krav på strömförsörjning vid drift behöver de olika strömmatningarna slås på och stängas av i specifika sekvenser med exakt timing. Moderna FPGA:er har ofta många strömmatningar organiserade i några få grupper som kan slås på och av tillsammans. Som exempelvis, FPGA:erna Altera Arria 10 från Intel som har strömförsörjningsområden som är indelade i tre grupper. Dessa grupper måste strömförsörjas i ordningsföljd från grupp 1 (med sex spänningsmatningar) till grupp 2 (också sex spänningsmatningar) till grupp 3 (tre spänningsmatningar) och slås av i omvänd ordningsföljd för att undvika skador på FPGA:n (figur 2).

Figur 2: FPGA:er kräver att strömmatningarna slås på och av i en specifik ordningsföljd. (Bildkälla: Analog Devices)

Hålla den sval

Med så många regulatorer placerade i närheten av FPGA:n är värmehantering ett problem. Analog Devices har satt ihop ett kretskort för visa några alternativ för värmestyrning vid användning av flera regulatorer (figur 3). Den termiska prestandan påverkas av regulatorernas relativa placering, luftflödets riktning och mängd samt omgivningstemperaturen.

Figur 3: Demonstrationskort för värmehantering med parallellkopplade regulatorer. (Bildkälla: Analog Devices)

För den första jämförelsen mäts temperaturen på sju ställen på demonstrationskortet; platserna 1-4 visar modulernas yttemperatur och platserna 5-7 visar kretskortets yttemperatur (figur 4). I båda termograferna är de yttre modulerna svalare, vilket beror på den ökade värmeavledning som uppnås genom att kretskortet används på tre sidor, jämfört med de centrala modulerna som bara avleder värme på två sidor. Luftflöde är också viktigt. I den vänstra termografin finns det ett luftflöde på 200 linjära fot per minut (LFM) som kommer från kretskortets undersida, jämfört med inget luftflöde i den högra bilden. Modulerna och kretskortet med luftflöde är ca 20 °C kallare.

Figur 4: Luftflödet på 200 LFM minskar modulens och kretskortets temperatur avsevärt (vänster). (Bildkälla: Analog Devices)

Luftflödets riktning och omgivningstemperaturen är också viktiga. Genom att använda ett luftflöde på 400 LFM från höger till vänster förflyttas värmen från en modul till en annan, med resultatet att den kallaste modulen ligger till höger, de mittersta modulerna är de varmaste och modulen till vänster ligger däremellan (figur 5, vänster). I ett försök att kompensera för den högre omgivningstemperaturen har kylflänsar placerats på modulerna som arbetar vid 75 °C. Under dessa extrema förhållanden blir modulerna betydligt varmare, även med extra kylflänsar (figur 5, höger).

Figur 5: Effekten av omgivningstemperaturer på 50 °C (vänster) och 75 °C (höger) med ett luftflöde på 400 LFM från höger till vänster över kretskortet. (Bildkälla: Analog Devices)

LGA- och BGA-kapslingar för montering på baksidan av kretskortet

Familjen LTM4601 med DC/DC-regulatorer och 12 A kontinuerlig (14 A topp) nedtransformering ger konstruktörer möjlighet att välja mellan en LGA-kapsling på 15 x 15 x 2,82 mm, eller en BGA-kapsling på 15 x 15 x 3,42 mm. De har ett inspänningsområde på 4,5 till 20 V_DC och kan tillhandahålla utspänningar på 0,6 till 5 V_DC med spårning och marginalisering av utspänningen. De har en reglering på ±1,5 % och en toppavvikelse på 35 mV vid dynamiska belastningsändringar från 0 % till 50 % och 50 % till 0 % av full belastning, med en inställningstid på 25 µs.

Regulatorerna finns med eller utan en inbyggd differentiell fjärravkänningsförstärkare som kan användas för att reglera en utspänning noggrant oberoende av belastningsströmmen. LTM4601IV#PBF finns exempelvis i som LGA och LTM4601IY#PBF som BGA, och båda har en inbyggd differentiell fjärravkänningsförstärkare. Tillämpningar som inte behöver den inbyggda förstärkaren kan använda LTM4601IV-1#PBF i en LGA eller LTM4601IY-1#PBF i en BGA. Modulerna är kompletta DC/DC-regulatorer som endast behöver kondensatorer på in- och utspänning för att passa i specifika konstruktionskrav (figur 6). Modulernas låga profil medför att de kan monteras på baksidan av kretskortet.

Figur 6: μModule-regulatorer är kompletta kraftomvandlare i termiskt förbättrade kapslingar. (Bildkälla: Analog Devices)

Analog Devices erbjuder demonstrationskretsen DC1041A-A för att skynda på utvärderingen av regulatorerna LTM4601. Den har ett inspänningsområde på 4,5 till 20 V_DC och en utspänning som kan väljas med bygel och programmeras för att öka och minska samtidigt eller ratiometriskt genom att följa en annan moduls utgång.

Extremt tunna regulatorer

Höjden på 1,82 mm i 16 x 11,9 mm LGA-kapslingen i LTM4686 från Analog Devices, gör det möjligt att placera dessa dubbla 10 A eller enkla 20 A-regulatorer tillräckligt nära en FPGA för att enheterna ska kunna dela på en gemensam kylfläns, vilket förenklar den termiska hanteringen. Dessutom får dessa regulatorer plats på baksidan av kretskortet. Integrerad digital krafthantering med PMBus-protokollet stöder fjärrkonfiguration och övervakning i realtid av utström, spänning, temperatur och andra parametrar. Regulatorerna finns för två inspänningsområden; LTM4686IV#PBF som arbetar från 4,5 till 17 V_DC och LTM4686IV-1#PBF från 2,375 till 17 V_DC. Modulerna LTM4686 har stöd för utspänningar från 0,5 till 3,6 V_DC med ±0,5 % maximalt utspänningsfel. Regulatorerna kan ge 18 A vid 1 V_DC från en inspänning på 5 V_DC vid +85°C omgivningstemperatur med ett luftflöde på 400 LFM.

Konstruktörer kan använda demonstrationskretsen DC2722A i kombination med programmet LTpowerPlay för att utforska LTM4686-modulernas kapacitet. För att utvärdera endast regulatorn, kan DC2722A slås på med standardinställningarna utan behov av PMBus-kommunikation. Genom att lägga till programmet och dongeln för PMBus kan konstruktörer utforska de fullständiga digitala strömhanteringsfunktionerna, inklusive omkonfigurering av delen under drift och visning av telemetriinformation.

Överväganden kring kretskortets layout

Även om det finns få elektriska överväganden vid parallellkoppling av μModule-regulatorer för att strömförsörja FPGA:er är parametrar som rör avstånd, lödöar, jordplan och luftflöde viktiga. Lyckligtvis förenklar utformningen av LGA-formatet, layouten av ström- och jordplanen och ger en stabil termisk anslutning till kretskortet. Att placera fyra parallella μModule-regulatorer är helt enkelt en fråga om att upprepa LGA-formatet (figur 7). Med undantag för ovanligt krävande miljöer ger den termiskt förbättrade kapslingen tillsammans med strömplanet vanligtvis tillräcklig kylning för modulerna.

Figur 7: LGA-formatet för μModule-regulatorer förenklar parallellkoppling av flera moduler och stödjer förbättrad termisk prestanda. (Bildkälla: Analog Devices)

Sammanfattning

För att stödja högeffektiva datortillämpningar kräver FPGA:er en exakt och effektiv strömhantering med snabb svarstid. Att strömförsörja de många spänningsmatningarna i en FPGA är en komplicerad utmaning som kan lösas med hjälp av integrerade μModule DC/DC-regulatorer från Analog Devices. Regulatorerna tillhandahåller även den elektriska och termiska prestanda som krävs i kompakta och lättintegrerade kapslingar.