Pro správnou funkci FPGA je nutné zajistit stabilní napájení. Jelikož FPGA vyžaduje několik napájecích cest je nutné zajistit sekvenční zapínání a vypínání. Napájení musí pozvolna "stoupat a klesat" a je nutné zajistit přesnost vysokého napětí a rychlé přechodové odezvy. DC/DC měniče musí být malých rozměrů, aby mohly být umístěny v těsné blízkosti FPGA kvůli parazitním vlivům mezi jednotlivými napájecími cestami. Zároveň musí být vysoce účinné, aby nedocházelo ke zvýšení teploty v blízkosti FPGA. V některých systémech musí být DC/DC měniče dostatečně tenké, aby se daly namontovat na zadní stranu desky.
Návrh vysoce účinného a výkonného DC/DC měniče není složité, ale navrhnout jej ve velmi miniaturním formátu s nízkým profilem je náročným úkolem. Samotný návrh napájení si může vyžádat několik iterací a to může odvádět pozornost od návrhu systému FPGA. To by mohlo mít negativní vliv na dobu uvedení na trh.
Při návrhu napájecích systémů pro FPGA lze využít plně otestované a ověřené integrované DC/DC měniče, které zahrnují všechny komponenty v kompaktních a tepelně účinných LGA a BGA pouzdrech. Tento článek shrnuje potřeby napájení FPGA se zaměřením na přesnost napětí, přechodovou odezvu a řízení napájecích cest. Nesmí chybět i rady jak se vypořádat s tepelným managementem. V článku uvedeme integrované DC/DC měniče vhodné pro napájení FPGA od Analog Devices, včetně nízkoprofilových měničů, které lze umístit na zadní stranu desky.
Jaké jsou požadavky na napájení FPGA
Různé funkční bloky FPGA jako je logický blok, I/O obvody, pomocné obvody či transceivery vyžadují různé napěťové úrovně. Měniče použité pro každou úroveň napětí jsou obvykle typu POL (Point To Load). Tyto měniče se používá kvůli vysoké účinnosti a vysokému výkonu ve spínaném režimu. Obvody citlivé na šum jako jsou transceivery vyžadují LDO měniče.
V malých systémech je hlavní napětí obvykle na úrovni 5 nebo 12 VDC, které může přímo napájet POL měniče. Ve větších systémech může být hlavní napětí 24 nebo 48 VDC. Při použití vyšších úrovní napětí se používá redukční měnič ke snížení napětí na 5 nebo 12 VDC, která pak napájí POL měniče. POL měniče pak poskytují definované nízké napětí požadované jednotlivými bloky FPGA (obrázek 1). Každá napájecí úroveň (zdroj) má specifické požadavky týkající se přesnosti, přechodové odezvy, řízení a mnoho dalších.
Obrázek 1: K napájení FPGA je potřeba více měničů typu POL. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Jádro POL měniče je nejdůležitějším zdrojem energie v FPGA. Napájení jádra může být klidně pod úrovní 1 VDC ale s proudem v desítkách ampér. Další důležitou vlastností je přesnost a požadavek je mít přesnost ±3 % nebo lepší, aby se zabránilo chybám. Například pro FPGA s tolerancí napětí ±3 % vyhovuje měnič s přesností ±1,5 % a dalších ±1,5 % pro přechodové jevy. Měnič s přesností ±2 % však může ztížit dosažení potřebného výkonu. Pro přechodné jevy je k dispozici pouze ±1 %, a to vyžaduje přidání „přemosťovacích“ kondenzátorů.
Řízení napájecích zdrojů – tzv. sekvenování
Kromě náročných vlastností, které je nutné splnit pro napájení FPGA, je důležité také řídit zapínání a vypínání jednotlivých zdrojů ve specifických sekvencích s přesným časováním. Moderní FPGA často mají napájecí zdroje organizované do několika skupin, které lze zapínat a vypínat společně. Například Altera Arria 10 FPGA od Intelu má zdroje seskupené do tří skupin.
Tyto skupiny se musí zapnout v přesně definovaném pořadí od skupiny 1 (šest zdrojů), pak skupina 2 (také šest zdrojů) a až naposledy skupina 3 (tři zdroje). Vypínání se provede v opačném pořadí, aby nedošlo k poškození FPGA (obrázek 2).
Obrázek 2: FPGA vyžadují, aby napájecí zdroje byly zapínán a vypínány v předem definovaném pořadí. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Udržet teplotu pod kontrolou
Několik měničů umístěných blízko FPGA je teplotním problémem. Analog Devices nabízí demonstrační desku, aby ukázala některé možnosti řízení teploty při použití několika měničů (obrázek 3). Tepelný výkon je ovlivněn umístěním měničů, směrem a množstvím vzduchu a okolním teplotou.
Obrázek 3: Demonstrační deska tepelného managementu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Pro první srovnání se teplota měří na sedmi místech demo desky. Místa 1 až 4 ukazují povrchovou teplotu modulů a místa 5 až 7 ukazují povrchovou teplotu na desce (obrázek 4). V obou termografických snímcích jsou vnější moduly chladnější, jelikož těží ze zvýšeného odvodu tepla ze třech stran ve srovnání s moduly uprostřed, které odvádějí teplo pouze na dvě strany.
Důležité je také proudění vzduchu. Na levém snímku je proudění vzduchu 1 m/s ze spodní části desky ve srovnání s žádným prouděním vzduchu na snímku vpravo. Moduly a deska s prouděním vzduchu jsou asi o 20°C chladnější.
Obrázek 4: Přidání proudění vzduchu 1 m/s výrazně snižuje teplotu modulu a desky (vlevo). (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Důležitý je také směr proudění vzduchu a okolní teplota. Pokud proudí vzduch rychlostí 2 m/s zprava doleva teplo je přenášeno z jednoho modulu na druhý, takže nejchladnější modul je napravo, střední moduly jsou nejteplejší a modul nalevo je mezi nimi (obrázek 5, vlevo ). Abychom se pokusili kompenzovat vyšší okolní teplotu, byly na moduly pracující při 75 °C umístěny chladiče. Za těchto extrémních podmínek jsou moduly výrazně teplejší, dokonce i s přídavným chladičem (obrázek 5 vpravo).
Obrázek 5: Vliv okolních teplot 50 °C (vlevo) a 75 °C (vpravo) s prouděním vzduchu 2 m/s zprava doleva. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Pouzdra LGA a BGA určené pro montáž na zadní stranu desky
Řada step down DC/DC měničů LTM4601 s proudem 12 A (14 A špičkových) se nabízí v pouzdru LGA 15 × 15 × 2,82 mm nebo BGA 15 × 15 × 3,42 mm. Rozsah vstupního napětí je 4,5 až 20 VDC a mohou poskytovat výstupní napětí od 0,6 do 5 VDC. Měniče se vyznačují přesností ±1,5 % a špičkovou odchylkou 35 mV pro dynamické změny zatížení od 0 % do 50 % a 50 % až 0 % plného zatížení s dobou ustálení 25 µs.
Tyto měniče jsou k dispozici s nebo bez integrovaného diferenciálního zesilovače, který lze použít k přesné regulaci výstupního napětí nezávisle na zátěžovém proudu. Například LTM4601IV#PBF je v LGA pouzdru a LTM4601IY#PBF je v pouzdru BGA. Oba mají na desce diferenciální zesilovač. Aplikace, které nepotřebují integrovaný zesilovač, mohou použít LTM4601IV-1#PBF v LGA nebo LTM4601IY-1#PBF v BGA pouzdru. Tyto moduly jsou kompletními DC/DC měniči, které potřebují pouze vstupní a výstupní kondenzátory, aby vyhovovaly specifickým konstrukčním požadavkům (obrázek 6). Nízký profil těchto modulů umožňuje jejich montáž i na zadní stranu desky plošných spojů.
Obrázek 6: Regulátory μModule jsou kompletní měniče v tepelně vylepšených pouzdrech. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Analog Devices nabízí vývojovou desku DC1041A-A pro vyhodnocení vlastností měničů LTM4601. Rozsah vstupního napětí je od 4,5 do 20 VDC a výstupní napětí je volitelné propojkou. Lze ho nastavit také tak, aby shodně nebo poměrově sledovalo výstup jiného modulu.
Ultra tenké regulátory
LTM4686 je měnič umístěný v pouzdru LGA o výšce 1,82 mm a rozměrech 16 mm × 11,9 mm. Je schopen poskytovat proud duálně 10 A nebo jako single výstup 20 A. Díky jeho velikosti, lze měnič umístit dostatečně blízko k FPGA, aby mohli sdílet společný chladič, a to zjednoduší teplotní management. Integrovaná digitální správa napájení pomocí protokolu PMBus podporuje vzdálenou konfiguraci a sledování výstupního proudu, napětí, teploty a dalších parametrů v reálném čase. Tyto měniče jsou k dispozici se dvěma rozsahy vstupního napětí.
LTM4686IV#PBF pracuje od 4,5 do 17 VDC a LTM4686IV-1#PBF pracuje od 2,375 do 17 VDC. Moduly LTM4686 nabízí výstupní napětí od 0,5 do 3,6 VDC s maximální výstupní chybou ±0,5 %. Tyto měniče mohou dodávat až 18 A při 1 VDC ze vstupního napět 5 VDC při okolní teplotě +85 °C a proudění vzduchu 2 m/s.
Pro ověření vlastností měniče LTM4686 je k dispozic demonstrační deska DC2722A se softwarem LTpowerPlay. Pro základní ověření lze desku DC2722A pouze zapnout ve výchozím nastavení bez nutnosti komunikace po PMBus. Pomocí software LTpowerPlay a hardwarového klíče pro PMBus lze prozkoumat kompletní možnosti digitální správy napájení, včetně konfigurace za provozu a zobrazení všech telemetrických dat.
Rozložení desky
Rozložení na desce hraje velmi důležitou roli pro výkon a teplený management celého systému. To souvisí s roztečí, průchody, zemními plochami a samozřejmě i s prouděním vzduchu. Naštěstí design layoutu LGA zjednodušuje rozložení napájecích a zemnících ploch a poskytuje pevné tepelné spojení s deskou. Umístění čtyř paralelních měničů je jednoduchou záležitostí a to opakováním layoutu LGA (obrázek 7). S výjimkou neobvykle náročných prostředí poskytuje tepelně vylepšené pouzdro spolu s napájecí plochou obvykle dostatečné chlazení pro všechny měniče.
Obrázek 7: Footprint LGA měničů μModule zjednodušuje paralelní řazení několika modulů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Závěr
Pro výpočetně výkonné aplikace se využívají FPGA pole. FPGA pole vyžadují několik napěťových zdrojů. K dispozici jsou ověřené a otestované integrované DC/DC měniče μModule od Analog Devices. Tyto měniče poskytují potřebný elektrický a tepelný výkon v kompaktních pouzdrech, které lze umístit i na zadní stranu desky.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
