Hvordan man udvikler kompakte og effektive strømforsyningsløsninger til FPGA'er

FPGA'er (Field Programmable Gate Arrays) anvendes i stigende grad til at understøtte højtydende databehandling inden for video- og billedbehandling, medicinske systemer, bil- og rumfartsapplikationer samt AI (kunstig intelligens) og maskinindlæring (ML). Strømforsyning af en FPGA er en kompleks og kritisk funktion, der involverer et stort antal og mange forskellige strømskinner, hvor nogle har brug for op til 50 ampere (A) hurtigt.

For korrekt FPGA-drift har strømskinner brug for til- og frakobling, de skal stige og falde monotont, og de har brug for høj spændingsnøjagtighed og hurtige transiente reaktioner. Desuden skal de DC/DC-regulatorer (DC/DC-regulatorer), der leverer de forskellige spændinger, være små, så de kan placeres tæt på FPGA'en for at minimere parasitære dele i strømfordelingsledningerne, og de skal være effektive for at minimere temperaturstigninger i nærheden af FPGA'en. I nogle systemer skal DC/DC-regulatorerne være tynde nok til at kunne monteres på bagsiden af printkortet (PC-kort).

Selv om det er muligt at designe højeffektive og højtydende DC/DC-regulatorer med den nødvendige integrerede digitale strømstyring, er det en stor udfordring at gøre det i et meget kompakt format med lav profil. Det kan resultere i mange design-iterationer og distrahere fra designet af FPGA-systemet, hvilket forsinker markedsføringstiden og reducerer systemets ydeevne.

FPGA power system designere kan henvende sig til fuldt testede og verificerede integrerede DC/DC-regulatorer, der omfatter alle komponenter i kompakte og termisk effektive land grid array (LGA) og ball grid array (BGA) pakker, som er velegnede til integration direkte ved siden af FPGA'en for at maksimere power systemets (og FPGA'ens) ydeevne.

Denne artikel gennemgår FPGA'ernes behov for strømforsyning med fokus på spændingsnøjagtighed, transient respons og spændingssekvensering samt beskriver udfordringerne i forbindelse med termisk styring med eksempler på drift. Derefter præsenteres integrerede DC/DC-regulatorer fra Analog Devices, der er velegnede til FPGA-strømforsyning, herunder lavprofilregulatorer, der kan monteres på bagsiden af printkortet, sammen med evalueringskort og integrationsforslag til at fremskynde designprocessen.

FPGA-strømkrav

Funktioner i FPGA'er som kerne-logikken, input/output (I/O)-kredsløb, hjælpekredsløb og transceivere kræver forskellige strømskinner. Disse leveres normalt ved hjælp af en distribueret strømforsyningsarkitektur med en eller flere DC/DC-regulatorer, også kaldet point-of-load-regulatorer (POL-regulatorer), for hver strømskinne. Mens de fleste af disse regulatorer anvender switch-mode strømkonvertering for at opnå maksimal effektivitet, kan støjfølsomme kredsløb - f.eks. transceivere kræve brug af lineære LDO-regulatorer (low-dropout linear regulators).

I små systemer er hovedstrømforsyningsspændingen normalt 5 eller 12 volt DC (V_DC), som kan forsyne POL'erne direkte. I større systemer kan distributionsspændingen være 24 eller 48 V_DC. Når der anvendes højere distributionsspændinger, bruges en nedtrapningsregulator til at sænke distributionsspændingen til 5 eller 12 V_DC på en mellemliggende spændingsbus, der forsyner POL'erne. POL'erne leverer de lave spændinger, der kræves af de enkelte FPGA-strømskinner (Figur 1). Hver strømskinne har specifikke krav til nøjagtighed, transient respons, sekvensering og andre parametre.

Figur 1: Der er behov for flere POL-regulatorer for at forsyne en FPGA med strøm. (Billedkilde: Analog Devices)

Kerne POL er normalt den mest kritiske strømkilde i en FPGA. Kerneeffekten kan være under 1 V_DC med en strømstyrke på flere ti ampere og har ofte et krav om en nøjagtighed på ±3 % eller bedre for at undgå logikfejl. For en FPGA med en kernespændingstolerance på ±3 % giver en regulator med en nøjagtighed på ±1,5 % f.eks. yderligere ±1,5 % for transienter. Hvis POL har en god transient respons, vil det give en solid ydeevne. En regulator med en nøjagtighed på ±2 % kan dog gøre det vanskeligt at opnå den nødvendige ydeevne. Der er kun ±1 % til rådighed til transient respons, hvilket kræver tilføjelse af bypass-kondensatorer og potentielt fører til logikfejl under transienter.

Op- og nedture med sekventering

Ud over de krævende strømkrav, mens de er i drift, skal FPGA'er have de forskellige strømskinner tændt og slukket i bestemte sekvenser med præcis timing. Moderne FPGA'er har ofte mange strømskinner organiseret i et par grupper, der kan tændes og slukkes sammen. F.eks. har Altera Arria 10 FPGA'er fra Intel strømdomæner, der er organiseret i tre grupper. Disse grupper skal tændes i rækkefølge fra gruppe 1 (med seks spændingsskinner) til gruppe 2 (også seks spændingsskinner) til gruppe 3 (tre skinner) og slukkes i den omvendte rækkefølge for at undgå skader på FPGA'en (figur 2).

Figur 2: FPGA'er kræver, at strømskinner skal tændes og slukkes i en bestemt rækkefølge. (Billedkilde: Analog Devices)

Hold den køligt

Med så mange regulatorer placeret tæt på FPGA'en er termisk styring et problem. Analog Devices har sammensat et printkort til at demonstrere nogle muligheder for termisk styring ved brug af flere regulatorer (Figur 3). Den termiske ydeevne påvirkes af regulatorernes relative placering, luftstrømmenes retning og størrelse samt den omgivende temperatur.

Figur 3: Demokort til termisk styring af parallelle regulatorer. (Billedkilde: Analog Devices)

Ved den første sammenligning måles temperaturen syv steder på demokortet; sted 1 til 4 viser overfladetemperaturen på modulerne, og sted 5 til 7 viser overfladetemperaturen på printkortet (figur 4). På begge termografer er de ydre moduler køligere, da de nyder godt af den øgede varmeafledning, der opnås ved at bruge printpladearealet på tre sider, sammenlignet med de midterste moduler, der kun afgiver varme på to sider. Luftstrømmen er også vigtig. På det venstre termografiske billede er der en luftstrøm på 200 fod pr. minut (LFM) fra bunden af printkortet, mens der ikke er nogen luftstrøm på det højre billede. Modulerne og printkortet med luftstrøm er ca. 20 °C koldere.

Figur 4: Tilføjelse af en luftstrøm på 200 LFM reducerer modul- og printpladetemperaturerne betydeligt (til venstre). (Billedkilde: Analog Devices)

Luftstrømmens retning og den omgivende temperatur er også vigtige. Ved at bruge 400 LFM-luftstrømmen fra højre til venstre skubbes varmen fra et modul til et andet, hvilket resulterer i, at det koldeste modul er til højre, de midterste moduler er de varmeste, og modulet til venstre ligger midt imellem (Figur 5, venstre). For at forsøge at kompensere for den højere omgivelsestemperatur er der blevet placeret køleprofiler på modulerne, der arbejder ved 75 °C. Under denne ekstreme tilstand er modulerne betydeligt varmere, selv med den ekstra køleprofil (figur 5, til højre).

Figur 5: Virkningen af omgivelsestemperaturer på 50 °C (venstre) og 75 °C (højre) med 400 LFM-luftstrøm fra højre til venstre over printkortet. (Billedkilde: Analog Devices)

LGA- og BGA-pakker til montering på bagsiden

LTM4601-familien af 12 A kontinuerlig (14 A peak) step-down DC/DC-regulatorer giver designere mulighed for at vælge mellem en 15 × 15 × 2,82 millimeter (mm) LGA- eller en 15 × 15 × 15 × 3,42 mm BGA-pakke. De har et indgangsspændingsområde fra 4,5 til 20 V_DC og kan levere udgange fra 0,6 til 5 V_DC med udgangsspændingssporing og marginering. De har ±1,5 % regulering og en spidsafvigelse på 35 mV for dynamiske belastningsændringer fra 0 % til 50 % og fra 50 % til 0 % af fuld belastning med en indreguleringstid på 25 mikrosekunder (µs).

Disse regulatorer fås både med og uden indbygget differentiel fjernforståelsesforstærker, der kan bruges til nøjagtigt at regulere udgangsspændingen uafhængigt af belastningsstrømmen. LTM4601IV#PBF er f.eks. placeret i en LGA, og LTM4601IY#PBF er placeret i en BGA, og begge har en indbygget differentiel fjernfølelsesforstærker. Applikationer, der ikke har brug for den indbyggede forstærker, kan bruge LTM4601IV-1#PBF i en LGA eller LTM4601IY-1#PBF i en BGA. Disse moduler er komplette DC/DC-regulatorer, der kun behøver input- og outputkondensatorer for at opfylde specifikke designkrav (figur 6). Modulernes lave profil gør det muligt at montere dem på bagsiden af printkortet.

Figur 6: Modulregulatorer er komplette strømomformere i termisk forbedrede pakninger. (Billedkilde: Analog Devices)

Analog Devices tilbyder DC1041A-A-demonstrationskredsløbet for at fremskynde evalueringen af LTM4601-regulatorer. Det har et indgangsspændingsområde på 4,5 til 20 V_DC og en udgangsspænding, der kan vælges ved hjælp af jumper og programmeres til at stige og falde samtidig eller ratiometrisk ved at følge udgangen af et andet modul.

Ultra-tynde regulatorer

Højden på 1,82 mm i 16 × 11,9 mm LGA-pakken til Analog Devices' LTM4686 gør det muligt at placere disse dobbelte 10 A eller enkelte 20 A-regulatorer tæt nok på en FPGA til, at enhederne kan dele en fælles køleplade, hvilket forenkler den termiske styring. Desuden passer disse regulatorer på bagsiden af printkortet. Integreret digital strømstyring ved hjælp af PMBus-protokollen understøtter fjernkonfiguration og realtidsovervågning af udgangsstrøm, spænding, temperatur og andre parametre. Disse regulatorer er tilgængelige for to indgangsspændingsområder; LTM4686IV#PBF fungerer fra 4,5 til 17 V_DC, og LTM4686IV-1#PBF fra 2,375 til 17 V_DC.. LTM4686-moduler understøtter udgange fra 0,5 til 3,6 V_DC med en maksimal udgangsfejl på ±0,5 %. Disse regulatorer kan levere 18 A ved 1 V_DC fra en 5 V_DC-indgang ved +85 °C omgivelser med 400 LFM luftstrøm.

Designere kan bruge DC2722A-demonstrationskredsløbet kombineret med LTpowerPlay-softwaren til at udforske LTM4686-modulernes muligheder. Hvis du kun vil evaluere regulatoren, kan DC2722A tændes med standardindstillingerne uden behov for PMBus-kommunikation. Ved at tilføje softwaren og PMBus-donglen kan designere udforske de komplette digitale strømstyringsfunktioner, herunder rekonfigurering af delen i farten og visning af telemetrioplysninger.

Overvejelser om kort-layout

Selv om der er få elektriske overvejelser, når μModule-regulatorer parallelliseres til FPGA'er, er parametre vedrørende afstand, vias, jordplader og luftstrøm vigtige. Heldigvis forenkler designet af LGA-fodaftrykket layoutet af strøm- og jordpladerne og giver en solid termisk forbindelse til printkortet. Placering af fire parallelle μModule-regulatorer er et simpelt spørgsmål om at gentage LGA-fodaftrykket (Figur 7). Med undtagelse af usædvanligt vanskelige miljøer sørger den termisk forbedrede indpakning sammen med strømforsyningsplanet typisk for tilstrækkelig køling af modulerne.

Figur 7: LGA-fodaftrykket for μModulregulatorer forenkler parallelisering af flere moduler og understøtter forbedret termisk ydeevne. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

For at understøtte højtydende computerapplikationer kræver FPGA'er præcis og effektiv strømstyring med en hurtig responstid. Strømforsyning af de mange spændingsskinner i en FPGA er en kompleks udfordring, som kan løses ved hjælp af integrerede μModule DC/DC-regulatorer fra Analog Devices. Disse regulatorer giver også den elektriske og termiske ydeevne, der er nødvendig i kompakte og let integrerbare pakninger.