Slik utvikler du kompakte og effektive strømløsninger for FPGA-er

Feltprogrammerbare portmatriser (FPGA – field programmable gate array) brukes stadig oftere til å støtte høyytelses databehandling innen video- og bildebehandling, medisinske systemer, bilindustrien, romfartskonstruksjoner og kunstig intelligens (AI – artificial intelligence) og maskinlæring (ML). Det å drive en FPGA, er en kompleks og viktig funksjon som involverer et stort antall strømskinner av forskjellige typer, der noen av disse trenger opptil 50 ampere (A), raskt.

For å oppnå korrekt FPGA-drift, må strømskinner ha av- og på-sekvensering, de må stige og falle monotonisk og de trenger høy spenningsnøyaktighet og raske transient-responser. I tillegg må likestrøm-til-likestrøm-regulatorene (DC-DC-regulatorene) som forsyner de forskjellige spenningene være små, slik at de kan plasseres nær FPGA-en for å minimalisere fremmedstrøm (parasittstrøm) i strømfordelingslinjene, og de må være effektive slik at temperaturøkninger minimeres i nærheten av FPGA-en. I noen systemer må DC-DC-regulatorene være tynne nok til å monteres på baksiden av kretskortet.

Selv om det er mulig å konstruere høyvirksomme og høyytelses DC-DC-regulatorer med den nødvendige integrerte digitale strømstyringen, er det en formidabel utfordring å gjøre dette i et svært kompakt format med lav profil. Dette kan føre til mange konstruksjonsiterasjoner og bli en distraksjon når FPGA-systemet skal utvikles, noe som kan forsinke tiden det tar å få det endelige produktet ut på markedet og redusere systemytelsen.

Konstruktører av FPGA-strømsystemer kan bruke fullstendig testede og verifiserte integrerte DC-DC-regulatorer, som inkluderer alle komponenter i kompakte og termisk effektive LGA-kapslinger (LGA – land grid array) og BGA-kapslinger (BGA – ball grid array – kulegitteroppstilling), og som er egnet for integrasjon direkte ved siden av FPGA-en for å maksimere strømsystemets (og FPGA-ens) ytelse.

Denne artikkelen gjennomgår strømforsyningsbehovene til FPGA-er, med fokus på spenningsnøyaktighet, transient-respons og spenningssekvensering, og detaljerer videre utfordringene knyttet til termisk styring, med driftseksempler på dette. Den presenterer deretter integrerte DC-DC-regulatorer egnet for FPGA-drift fra Analog Devices, inkludert lavprofilregulatorer som kan monteres på baksiden av kretskortet, samt evalueringskort og integrasjonsforslag for å akselerere konstruksjonsprosessen.

Strømkrav for FPGA

Funksjoner i FPGA-er, for eksempel kjernelogikk, inngangs-/utgangskretser (I/O-kretser), hjelpekretser og transceivere, krever forskjellige strømskinner. Disse forsynes vanligvis ved hjelp av en distribuert strømarkitektur med én eller flere DC-DC-regulatorer, også kalt POL-regulatorer (POL – point-of-load – lastpunkt), for hver strømskinne. Selv om flesteparten av disse regulatorene bruker strømomforming med vekslingsmodus for å oppnå maksimal virkningsgrad, kan støyfølsomme kretser – for eksempel transceivere – kreve at lineære regulatorer med lav fallspenning (LDO) brukes.

I små systemer er hovedstrømfordelingsspenningen vanligvis 5 eller 12 volt DC (V_DC), som kan drive polene direkte. I større systemer kan fordelingsspenningen være 24 eller 48 V_DC. Når høyere fordelingsspenninger brukes, vil en reduksjonsregulator brukes til å redusere fordelingsspenningen til 5 eller 12 V_DC på en mellomliggende spenningsbuss som driver POL-ene. POL-ene leverer de lave spenningene som kreves av de individuelle FPGA-strømskinnene (figur 1). Hver strømskinne har spesifikke krav til nøyaktighet, transient-respons, sekvensering og andre parametere.

Figur 1: Flere POL-regulatorer er nødvendig for å drive en FPGA. (Bildekilde: Analog Devices)

Hoved-POL-en er vanligvis den mest kritiske strømkilden i en FPGA. Hovedstrømmen kan være under 1 V_DC med titalls ampere med strøm, og har ofte et nøyaktighetskrav på ±3 % eller bedre for å forhindre logiske feil. For eksempel, for en FPGA med en toleransespesifikasjon på ±3 % for hovedspenningen, vil en regulator med en nøyaktighet på ±1,5 % gi ytterligere ±1,5 % for transienter. Hvis POL-en har god transient-respons, vil dette gi god ytelse. En regulator med nøyaktighet på ±2 % kan imidlertid gjøre det utfordrende å oppnå den nødvendige ytelsen. Det er bare ±1 % tilgjengelig for transient-respons, noe som gjør at forbikoblingskondensatorer må legges til, og dette kan potensielt forårsake logiske feil under transienter.

Fordeler og ulemper ved sekvensering

I tillegg til krevende strømkrav mens de er i drift, trenger FPGA-er de ulike strømskinnene for å kunne slå seg på og av i bestemte sekvenser med nøyaktig timing. Moderne FPGA-er har ofte mange strømskinner organisert i noen få grupper som kan slås av og på sammen. For eksempel har Altera Arria 10 FPGA-er fra Intel strømdomener organisert i tre grupper. Disse gruppene må slås på i rekkefølge, fra gruppe 1 (med seks spenningsskinner) til gruppe 2 (også seks spenningsskinner) til gruppe 3 (tre skinner), og slås av i omvendt rekkefølge for å forhindre skade på FPGA-en (figur 2).

Figur 2: FPGA-er krever at strømskinner slås på og av i en bestemt sekvens. (Bildekilde: Analog Devices)

Holde ting kjølig

Termisk styring er en utfordring med så mange regulatorer plassert i nærheten av FPGA-en. Analog Devices har satt sammen et kretskort for å demonstrere noen termiske styringsalternativer når flere regulatorer brukes (figur 3). Termisk ytelse påvirkes av den relative plasseringen til regulatorene, retningen til og mengden luftstrøm og omgivelsestemperaturen.

Figur 3: Demokort for termisk styring for parallelle regulatorer. (Bildekilde: Analog Devices)

For den første sammenligningen måles temperaturen på syv steder på demokortet: Plassering 1 til 4 viser overflatetemperaturen på modulene og plassering 5 til 7 viser overflatetemperaturen på kretskortet (figur 4). I begge termoanalysene er de ytre modulene kaldere, og de drar nytte av den økte temperaturavledningen som oppnås ved å bruke kretskortområdet på tre sider, sammenlignet med sentermodulene som kun avgir varme på to sider. Luftstrøm er også viktig. I den venstre termoanalysen er det 200 lineære fot per minutt (LFM – linear feet per minute) med luftstrøm som kommer fra bunnen av kretskortet, sammenlignet med ingen luftstrøm i bildet til høyre. Modulene og kretskortet med luftstrøm, er ca. 20 °C kaldere.

Figur 4: Tillegging av en luftstrøm på 200 LFM, reduserer temperaturene til modulene og kretskortet betydelig (venstre). (Bildekilde: Analog Devices)

Retningen for luftstrøm og omgivelsestemperaturen er også viktig. Når 400 LFM luftstrøm brukes fra høyre til venstre, vil varmen fra én modul til en annen skyves, noe som resulterer i at den kaldeste modulen er til høyre, sentermodulene er de varmeste og modulen til venstre er i mellomområdet (figur 5, venstre). For å forsøke å kompensere for den høyere omgivelsestemperaturen, har kjøleribber som opererer ved 75 °C blitt plassert på modulene. Under denne ekstreme tilstanden er modulene betydelig varmere, selv med den ekstra varmeavledningen (figur 5, høyre).

Figur 5: Virkningen av omgivelsestemperaturer på 50 °C (venstre) og 75 °C (høyre), med 400 LFM luftstrøm fra høyre til venstre på tvers av kretskortet. (Bildekilde: Analog Devices)

LGA- og BGA-kapslinger for montering på baksiden

LTM4601-familien med 12 A kontinuerlige (14 A spiss) DC-DC-regulatorer gir konstruktører muligheten til å bruke en LGA-kapsling på 15 × 15 × 2,82 millimeter (mm) eller en BGA-kapsling på 15 × 15 × 3,42 mm. De har et inngangsspenningsområde på 4,5 til 20 V_DC og kan gi utganger på 0,6 til 5 V_DC med sporing av utgangsspenning og marginering. De har ±1,5 % regulering og et spissavvik på 35 mV for dynamiske belastningsendringer på 0 % til 50 % og 50 % til 0 % av full belastning, med en innsvingningstid på 25 mikrosekunder (µs).

Disse regulatorene er tilgjengelige enten med eller uten en integrert differensiell fjernmålingsforsterker, som kan brukes til å nøyaktig regulere en utgangsspenning uavhengig av laststrømmen. For eksempel er LTM4601IV#PBF i en LGA, og LTM4601IY#PBF er i en BGA, og begge har en integrert differensiell fjernmålingsforsterker. Konstruksjoner som ikke trenger den integrerte forsterkeren, kan bruke LTM4601IV-1#PBF i en LGA eller LTM4601IY-1#PBF i en BGA. Disse modulene er komplette DC-DC-regulatorer, og de trenger bare inngangs- og utgangskondensatorer for å være kompatible med spesifikke konstruksjonskrav (figur 6). Den lave profilen til disse modulene gjør det mulig å montere dem på baksiden av kretskortet.

Figur 6: μModul-regulatorer er komplette strømomformere i varmeforsterkede kapslinger. (Bildekilde: Analog Devices)

Analog Devices tilbyr DC1041A-A-demonstrasjonskretsen for å fremskynde evalueringen av LTM4601-regulatorer. Den har et inngangsspenningsområde på 4,5 til 20 V_DC og en utgangsspenning som kan velges med forbindelsesledning (jumper) eller programmeres til å trinnvise gå opp og ned, enten tilfeldig eller ratiometrisk, for å spore utgangen fra en annen modul.

Svært tynn konstruksjon

LGA-kapslingen på 1,82 (h) x 16 (b) × 11,9 (d) mm fra Analog Devices sin LTM468 gjør det mulig for disse doble 10 A-regulatorene eller enkle 20 A-regulatorene å plasseres nær nok en FPGA slik at enhetene kan dele en felles kjøleribbe, noe som forenkler den termiske styringen. I tillegg passer disse regulatorene på baksiden av kretskortet. Integrert digital strømstyring, ved å bruke PMBus-protokollen, støtter ekstern konfigurering og sanntidsovervåking av utgangsstrøm, spenning, temperatur og andre parametere. Disse regulatorene har støtte for to inngangsspenningsområder: LTM4686IV#PBF fungerer fra 4,5 til 17 V_DC og LTM4686IV-1#PBF fra 2,375 til 17 V_DC. LTM4686-moduler støtter utganger på 0,5 til 3,6 V_DC med en maksimal utgangsfeil på ±0,5 %. Disse regulatorene kan forsyne 18 A ved 1 V_DC fra en inngang på 5 V_DC, ved en omgivelsestemperatur på +85 °C med 400 LFM luftstrøm.

Konstruktører kan bruke DC2722A-demonstrasjonskretsen kombinert med LTpowerPlay-programvaren til å utforske egenskapene til LTM4686-modulene. For å evaluere kun regulatoren, kan DC2722A slås på ved å bruke standardinnstillingene uten at det er behov for PMBus-kommunikasjon. Ved å legge til programvaren og PMBus-dongelen kan konstruktører utforske de komplette funksjonene for digital strømstyring, inkludert omkonfigurering av delen mens de er på farten og visning av telemetriinformasjon.

Faktorer for kretskortlayout

Selv om det er få elektriske faktorer å ta hensyn til når parallelle μModule-regulatorer skal kobles i parallell slik at de kan drive FPGA-er, er parametere knyttet til avstand, baner, horisontalt projeksjonsplan (ground planes) og luftstrøm viktig. Heldigvis forenkler konstruksjonen av LGA-formatet layouten til strømflaten og det horisontale projeksjonsplanet, og gir en solid termisk forbindelse til kretskortet. For å plassere fire parallelle μModule-regulatorer, trenger du bare repetere LGA-formatet (figur 7). Hvis vi ser bort fra usedvanlig utfordrende omgivelser, gir vanligvis den termisk forbedrede kapslingen, kombinert med strømflaten, tilstrekkelig kjøling for modulene.

Figur 7: LGA-formatet for μModule-regulatorer forenkler parallellkobling av flere moduler og støtter forbedret termisk ytelse. (Bildekilde: Analog Devices)

Konklusjon

For å støtte databehandlingsinstallasjoner med høy ytelse, krever FPGA-er presis og effektiv strømstyring med rask responstid. Å drive de mange spenningsskinnene i en FPGA, er en kompleks utfordring som kan imøtekommes ved å bruke integrerte μModule DC-DC-regulatorer fra Analog Devices. Disse regulatorene gir også den elektriske og termiske ytelsen som trengs i kompakte og lett integrerte kapslinger.