Entwicklung kompakter und effizienter Stromversorgungslösungen für FPGAs

FPGAs (Field Programmable Gate Arrays, Feldprogrammierbare Gatter-Arrays) werden zunehmend zur Unterstützung von Hochleistungsrechnern in der Video- und Bildverarbeitung, in medizinischen Systemen, in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie für künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) eingesetzt. Die Stromversorgung eines FPGA ist eine komplexe und kritische Funktion, die eine große Anzahl und Vielfalt von Stromschienen erfordert, wobei einige schnell bis zu 50 Ampere (A) benötigen.

Für einen ordnungsgemäßen FPGA-Betrieb müssen die Stromschienen ein- und ausgeschaltet werden, sie müssen monoton ansteigen und abfallen, und sie benötigen eine hohe Spannungsgenauigkeit und ein schnelles Einschwingverhalten. Darüber hinaus müssen die Gleichstrom/Gleichstrom-Regler (DC/DC), die die verschiedenen Spannungen liefern, so klein sein, dass sie in der Nähe des FPGA platziert werden können, um Parasiten in den Stromverteilungsleitungen zu minimieren, und sie müssen effizient sein, um den Temperaturanstieg in der Nähe des FPGA zu minimieren. In einigen Systemen müssen die DC/DC-Regler so dünn sein, dass sie auf der Rückseite der Leiterplatte montiert werden können.

Es ist zwar möglich, hocheffiziente und leistungsstarke DC/DC-Regler mit dem erforderlichen integrierten digitalen Energiemanagement zu entwickeln, aber dies in einem sehr kompakten, flachen Format zu tun, ist eine gewaltige Herausforderung. Dies kann zu zahlreichen Design-Iterationen führen und vom Design des FPGA-Systems ablenken, die Markteinführung verzögern und die Systemleistung verringern.

Bei der Entwicklung von FPGA-Stromversorgungssystemen kann auf vollständig getestete und verifizierte integrierte DC/DC-Regler zurückgegriffen werden, die alle Komponenten in kompakten und thermisch effizienten LGA- (Land Grid Array) und BGA-Gehäusen (Ball Grid Array) enthalten, für die Integration direkt neben dem FPGA geeignet sind und die Leistung des Stromversorgungssystems (und des FPGA) maximieren.

Dieser Artikel befasst sich mit den Anforderungen an die Stromversorgung von FPGAs, wobei der Schwerpunkt auf Spannungsgenauigkeit, Einschwingverhalten und Spannungssequenzierung liegt, und beschreibt die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Wärmemanagement anhand von Betriebsbeispielen. Anschließend werden integrierte DC/DC-Regler von Analog Devices vorgestellt, die für die FPGA-Stromversorgung geeignet sind, einschließlich flacher Regler, die auf der Rückseite der Leiterplatte montiert werden können, sowie Evaluierungsboards und Integrationsvorschläge zur Beschleunigung des Designprozesses.

FPGA-Leistungsanforderungen

Funktionen innerhalb von FPGAs wie die Kernlogik, Eingangs-/Ausgangsschaltungen (I/O), Hilfsschaltungen und Transceiver benötigen unterschiedliche Stromschienen. Diese werden in der Regel über eine verteilte Stromversorgungsarchitektur mit einem oder mehreren DC/DC-Reglern, auch Lastpunktregler (POL) genannt, für jede Stromschiene versorgt. Während die meisten dieser Regler eine Schaltnetzteilumwandlung für einen maximalen Wirkungsgrad verwenden, können rauschempfindliche Schaltungen - wie z. B. Transceiver - den Einsatz von linearen Reglern mit niedrigem Spannungseinbruch (LDO) erfordern.

In kleinen Systemen beträgt die Spannung der Hauptstromverteilung in der Regel 5 oder 12 Volt DC (V_DC), die die POLs direkt versorgen kann. In größeren Systemen kann die Verteilerspannung 24 oder 48 V_DC betragen. Wenn höhere Verteilerspannungen verwendet werden, wird ein Abwärtsregler eingesetzt, um die Verteilerspannung auf 5 oder 12 V_DC auf einer Zwischenspannungsschiene zu reduzieren, die die POLs versorgt. Die POLs liefern die für die einzelnen FPGA-Stromschienen erforderlichen Niederspannungen (Abbildung 1). Jede Stromschiene hat spezifische Anforderungen in Bezug auf Genauigkeit, Einschwingverhalten, Sequenzierung und andere Parameter.

Abbildung 1: Für die Stromversorgung eines FPGA werden mehrere POL-Regler benötigt. (Bildquelle: Analog Devices)

Der Kern-POL ist normalerweise die kritischste Stromquelle in einem FPGA. Die Kernspannung kann unter 1 V_DC bei mehreren zehn Ampere Stromstärke liegen und erfordert häufig eine Genauigkeit von ±3 % oder besser, um logische Fehler zu vermeiden. Bei einem FPGA mit einer Kernspannungstoleranz von ±3 % bietet ein Regler mit einer Genauigkeit von ±1,5 % beispielsweise weitere ±1,5 % für Transienten. Wenn der POL über ein gutes Einschwingverhalten verfügt, wird er eine solide Leistung erbringen. Bei einem Regler mit einer Genauigkeit von ±2 % kann es jedoch schwierig werden, die erforderliche Leistung zu erzielen. Für das Einschwingverhalten stehen dann nur ±1 % zur Verfügung, was das Hinzufügen von Bypass-Kondensatoren erfordert und bei Einschwingvorgängen zu logischen Fehlern führen kann.

Sequentielles Hoch- und Herunterfahren

Zusätzlich zu den hohen Anforderungen an die Stromversorgung während des Betriebs müssen bei FPGAs die verschiedenen Stromschienen in bestimmten Sequenzen mit präzisem Timing ein- und ausgeschaltet werden. Moderne FPGAs verfügen oft über zahlreiche Stromschienen, die in Gruppen organisiert sind und gemeinsam ein- und ausgeschaltet werden können. Die FPGAs Altera Arria 10 von Intel verfügen beispielsweise über Leistungsdomänen, die in drei Gruppen unterteilt sind. Diese Gruppen müssen in der Reihenfolge von Gruppe 1 (mit sechs Spannungsschienen) zu Gruppe 2 (ebenfalls sechs Spannungsschienen) zu Gruppe 3 (drei Schienen) hochgefahren und in umgekehrter Reihenfolge wieder heruntergefahren werden, um Schäden am FPGA zu vermeiden (Abbildung 2).

Abbildung 2: FPGAs erfordern, dass die Stromschienen in einer bestimmten Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Korrekte Kühlung

Bei so vielen Reglern in der Nähe des FPGAs ist das Wärmemanagement ein Problem. Analog Devices hat ein Board zusammengestellt, um einige Optionen für das Wärmemanagement bei der Verwendung mehrerer Regler zu demonstrieren (Abbildung 3). Die thermische Leistung wird durch die relative Platzierung der Regler, die Richtung und Menge des Luftstroms sowie die Umgebungstemperatur beeinflusst.

Abbildung 3: Wärmemanagement-Demoboard für parallel geschaltete Regler. (Bildquelle: Analog Devices)

Für den ersten Vergleich wird die Temperatur an sieben Stellen auf dem Demoboard gemessen; die Stellen 1 bis 4 zeigen die Oberflächentemperatur der Module und die Stellen 5 bis 7 die Oberflächentemperatur auf der Platine (Abbildung 4). In beiden Thermografien sind die äußeren Module kühler, da sie von der besseren Wärmeableitung durch die Nutzung der Leiterplattenfläche auf drei Seiten profitieren, während die mittleren Module die Wärme nur auf zwei Seiten ableiten. Auch der Luftstrom ist wichtig. In der linken Thermografie ist ein Luftstrom von 200 linearen Fuß pro Minute (LFM) zu sehen, der von der Unterseite der Leiterplatte kommt, während in der rechten Abbildung kein Luftstrom verwendet wird. Die Module und das Board sind mit Luftstrom etwa 20°C kühler.

Abbildung 4: Ein zusätzlicher Luftstrom von 200 LFM senkt die Temperaturen von Modul und Board erheblich (links). (Bildquelle: Analog Devices)

Auch die Richtung des Luftstroms und die Umgebungstemperatur sind wichtig. Bei der Verwendung von 400 LFM wird die Wärme von einem Modul zum anderen geschoben, so dass das kühlste Modul auf der rechten Seite liegt, die mittleren Module am heißesten sind und das Modul auf der linken Seite dazwischen liegt (Abbildung 5, links). Um die höhere Umgebungstemperatur zu kompensieren, wurden auf den Modulen, die bei 75 °C arbeiten, Kühlkörper angebracht. Unter diesen extremen Bedingungen werden die Module auch mit der zusätzlichen Kühlung deutlich heißer (Abbildung 5, rechts).

Abbildung 5: Die Auswirkung von 50°C (links) und 75°C (rechts) Umgebungstemperatur mit 400 LFM Luftstrom von rechts nach links über das Board. (Bildquelle: Analog Devices)

LGA- und BGA-Gehäuse für die rückseitige Montage

Die DC/DC-Abwärtsregler der LTM4601-Familie mit 12 A Dauerstrom (14 A Spitzenstrom) bieten die Möglichkeit, zwischen einem 15 mm × 15 mm × 2,82 mm LGA- oder einem 15 mm × 15 mm × 3,42 mm BGA-Gehäuse zu wählen. Sie haben einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 20 V_DC und können Ausgänge von 0,6 bis 5 V_DC mit Ausgangsspannungsnachführung und Margining liefern. Sie bieten eine Regelung von ±1,5 % und eine Spitzenabweichung von 35 mV bei dynamischen Laständerungen von 0 % bis 50 % und 50 % bis 0 % der Volllast mit einer Einschwingzeit von 25 Mikrosekunden (µs).

Diese Regler sind sowohl mit als auch ohne einen integrierten differentiellen Remote-Sense-Verstärker erhältlich, der zur genauen Regelung einer vom Laststrom unabhängigen Ausgangsspannung verwendet werden kann. Der LTM4601IV#PBF ist beispielsweise in einem LGA untergebracht, der LTM4601IY#PBF in einem BGA, und beide bieten einen integrierten differentiellen Remote-Sense-Verstärker. Anwendungen, die den Onboard-Verstärker nicht benötigen, können den LTM4601IV-1#PBF in einem LGA oder den LTM4601IY-1#PBF in einem BGA verwenden. Bei diesen Modulen handelt es sich um komplette DC/DC-Regler, für die nur noch Eingangs- und Ausgangskondensatoren benötigt werden, um den spezifischen Designanforderungen gerecht zu werden (Abbildung 6). Das niedrige Profil dieser Module ermöglicht es, sie auf der Rückseite der Leiterplatte zu montieren.

Abbildung 6: μModul-Regler sind komplette Leistungswandler in thermisch optimierten Gehäusen. (Bildquelle: Analog Devices)

Analog Devices bietet die Demonstrationsschaltung DC1041A-A an, um die Evaluierung der LTM4601-Regler zu beschleunigen. Sie verfügt über einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 20 V_DC und eine Ausgangsspannung, die über eine Steckbrücke wählbar ist und so programmiert werden kann, dass sie zeitgleich oder ratiometrisch mit dem Ausgang eines anderen Moduls steigt und fällt.

Ultradünne Regler

Die Höhe von 1,82 mm des 16 mm × 11,9 mm großen LGA-Gehäuses des LTM4686 von Analog Devices ermöglicht es, diesen Regler (mit zwei Kanälen für 10 A oder einem einzelnen Kanal für 20 A) nahe genug an einem FPGA zu platzieren, so dass die Geräte einen gemeinsamen Kühlkörper nutzen können, was das Wärmemanagement vereinfacht. Darüber hinaus passen diese Regler auf die Rückseite der Platine. Das integrierte digitale Energiemanagement über das PMBus-Protokoll unterstützt die Fernkonfiguration und Echtzeitüberwachung von Ausgangsstrom, Spannung, Temperatur und anderen Parametern. Die Regler sind für zwei Eingangsspannungsbereiche erhältlich; der LTM4686IV#PBF arbeitet von 4,5 bis 17 V_DC, der LTM4686IV-1#PBF von 2,375 bis 17 V_DC. LTM4686-Module unterstützen Ausgänge von 0,5 bis 3,6 V_DC mit einem maximalen Ausgangsfehler von ±0,5%. Die Regler können 18 A bei 1 V_DC von einem 5V_DC-Eingang bei +85°C Umgebungstemperatur und 400 LFM Luftstrom liefern.

Das Demonstrationsboard DC2722A kann in Kombination mit der LTpowerPlay-Software verwendet werden, um die Möglichkeiten der LTM4686-Module zu erkunden. Um nur den Regler zu testen, kann das DC2722A mit den Standardeinstellungen verwendet werden, ohne dass eine PMBus-Kommunikation erforderlich ist. Durch Hinzufügen der Software und des PMBus-Dongles können alle digitalen Energiemanagement-Funktionen erkundet werden, einschließlich der Rekonfiguration des Bauteils im Betrieb und der Anzeige von Telemetrie-Informationen.

Überlegungen für das Platinenlayout

Während es bei der Parallelschaltung von μModul-Reglern zur Versorgung von FPGAs nur wenig zu beachten gibt, sind Parameter in Bezug auf Abstände, Durchkontaktierungen, Masseflächen und Luftströmung wichtig. Glücklicherweise vereinfacht das Design des LGA-Footprints das Layout der Stromversorgungs- und Erdungsebenen und bietet eine solide thermische Verbindung zur Leiterplatte. Die Platzierung von vier parallelen μModul-Reglern erfolgt einfach durch Wiederholung des LGA-Footprints (Abbildung 7). Außer in ungewöhnlich schwierigen Umgebungen sorgt das thermisch optimierte Gehäuse zusammen mit der Leistungsebene in der Regel für eine ausreichende Kühlung der Module.

Abbildung 7: Der LGA-Footprint der μModul-Regler vereinfacht die Parallelschaltung mehrerer Module und unterstützt eine verbesserte thermische Leistung. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit

Zur Unterstützung von leistungsstarken Computeranwendungen benötigen FPGAs ein präzises und effizientes Energiemanagement mit einer schnellen Reaktionszeit. Die Versorgung der zahlreichen Spannungsschienen in einem FPGA ist eine komplexe Herausforderung, die mit integrierten μModul-DC/DC-Reglern von Analog Devices gelöst werden kann. Diese Regler bieten die erforderliche elektrische und thermische Leistung in kompakten und leicht integrierbaren Gehäusen.