Jak vyvinout kompaktní a efektivní řešení napájení polí FPGA

Programovatelná hradlová pole (FPGA) se stále více používají k podpoře vysoce výkonných výpočtů při zpracování videa a obrazu, lékařských systémech, automobilových a leteckých aplikacích, umělé inteligenci (AI) a strojovém učení (ML). Napájení polí FPGA je složitý a kriticky důležitý úkol zahrnující velké množství různých napájecích lišt, z nichž některé potřebují rychlou dodávku proudu až 50 A.

Pro správnou funkci polí FPGA potřebují napájecí lišty sekvenční zapínání a vypínání, monotónní náběhy a poklesy, přesná vysoká napětí a rychlé přechodové odezvy. Převodníky stejnosměrného proudu na stejnosměrný proud (DC/DC), které dodávají různá napětí, musí také být malé, aby mohly být umístěny v blízkosti polí FPGA a byly tak minimalizovány parazitní signály v rozvodech elektrické energie a musejí být účinné, aby se minimalizovalo zvýšení teplot v blízkosti polí FPGA. V některých systémech musí být regulátory DC/DC dostatečně tenké, aby umožňovaly montáž na zadní stranu desky s plošnými spoji (PC).

Ačkoli lze navrhnout vysoce účinné a výkonné DC/DC regulátory s nezbytnou integrovanou digitální správou napájení, vytvoření takového řešení ve vysoce kompaktním formátu s nízkým profilem je náročnou výzvou. Může to vést k četným iteracím návrhu a odvádět pozornost od návrhu systému FPGA, což zpožďuje dobu uvedení na trh a snižuje výkon systému.

Konstruktéři napájecích systémů FPGA mohou využívat plně otestované a ověřené integrované DC/DC regulátory obsahující všechny součásti v kompaktních a tepelně účinných pouzdrech LGA (Land Grid Array) a Ball Grid Array (BGA), které jsou vhodné pro integraci v přímé blízkosti polí FPGA, aby byl maximalizován výkon napájecího systému (a pole FPGA).

Tento článek shrnuje potřeby napájení polí FPGA se zaměřením na přesnost napětí, přechodovou odezvu, sekvencování napětí a také podrobně popisuje výzvy související s regulací tepla s uvedením provozních příkladů. Poté se představuje integrované DC/DC regulátory vhodné pro napájení polí FPGA od společnosti Analog Devices včetně nízkoprofilových regulátorů, které lze namontovat na zadní stranu desky plošných spojů, společně s vyhodnocovacími deskami a návrhy integrace pro urychlení procesu návrhu.

Požadavky na napájení polí FPGA

Vnitřní funkce polí FPGA, jako jsou logika jádra, vstupně/výstupní (I/O) obvody, pomocné obvody a transceivery, vyžadují různé napájecí lišty. Ty jsou obvykle dodávány pomocí architektury distribuovaného napájení s jedním nebo více DC/DC regulátory, nazývanými také regulátory na straně zátěže (PoL) (POL), pro každou napájecí lištu. Zatímco většina těchto regulátorů používá pro dosažení maximální účinnosti převod výkonu ve spínaném režimu, obvody citlivé na šum, například transceivery, mohou vyžadovat použití lineárních regulátorů s nízkým úbytkem napětí (LDO).

V malých systémech je hlavní distribuční napětí obvykle 5 nebo 12 V DC (V_DC), které mohou přímo napájet regulátory POL. Ve větších systémech může být distribuční napětí 24 nebo 48 V_DC. Při použití vyšších distribučních napětí se používá snižovací převodník pro snížení distribučního napětí na 5 nebo12 V_DC na středněnapěťové sběrnici, která napájí regulátory POL. Regulátory POL poskytují nízké napětí požadované jednotlivými napájecími lištami pole FPGA (obrázek 1). Každá napájecí lišta má specifické požadavky týkající se přesnosti, přechodové odezvy, sekvencování a dalších parametrů.

Obrázek 1: k napájení pole FPGA je potřeba více regulátorů POL. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Jádro regulátoru POL je obvykle nejkritičtějším zdrojem energie v poli FPGA. Výkon jádra může dán napětím nižším než 1 V_DC při proudu v řádu desítek ampér a často má požadavek na přesnost ±,3 % nebo lepší, aby se zabránilo logickým chybám. Například pro pole FPGA se specifikovanou tolerancí napětí jádra ±3 % poskytuje regulátor s přesností ±1,5 % dalších ±1,5 % tolerance pro přechodové jevy. Pokud má regulátor POL dobrou přechodovou odezvu, bude poskytovat solidní výkon. Regulátor s přesností ±2 % však může dosažení potřebného výkonu ztížit. Pro přechodovou odezvu je k dispozici pouze ±1 %, což vyžaduje přidání přemosťovacích kondenzátorů a může v přechodových jevech vyvolávat chyby.

Výhody a nevýhody sekvencování

Kromě náročných požadavků na napájení během provozu potřebují pole FPGA různé napájecí sběrnice k zapínání a vypínání ve specifických sekvencích s přesným časováním. Moderní pole FPGA často mají četné napájecí sběrnice organizované do několika skupin, které lze zapínat a vypínat společně. Například pole FPGA Altera Arria 10 od společnosti Intel mají výkonové domény organizované do tří skupin. Tyto skupiny se musí zapínat v pořadí od skupiny 1 (se šesti napěťovými lištami) přes skupinu 2 (také šest napěťových lišt) až po skupinu 3 (tři lišty) a vypínat v obráceném pořadí, aby nedošlo k poškození pole FPGA (obrázek 2).

Obrázek 2: pole FPGA vyžadují, aby napájecí lišty byly zapínány a vypínány v určitém pořadí. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Udržet to v pohodě

Při tak vysokém počtu regulátorů umístěných v blízkosti pole FPGA se regulace teploty stává problémem. Společnost Analog Devices sestavila obvodovou desku, na které demonstruje některé možnosti regulace tepla při použití více regulátorů (obrázek 3). Tepelný výkon je ovlivněn relativním umístěním regulátorů, směrem a množstvím proudění vzduchu a okolní teplotou.

Obrázek 3: Demonstrační deska regulace tepla pro paralelní regulátory. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Pro první srovnání se teplota měří na sedmi místech demonstrační desky; místa 1 až 4 ukazují povrchovou teplotu modulů a místa 5 až 7 ukazují povrchovou teplotu na desce s plošnými spoji (obrázek 4). V obou termografech jsou vnější moduly chladnější a těží ze zvýšeného odvodu tepla poskytovaného použitím plochy desky plošných spojů na třech stranách ve srovnání se středními moduly, které odvádějí teplo pouze na dvě strany. Důležité je také proudění vzduchu. Levý termograf znázorňuje proudění vzduchu rychlostí 200 lineárních stop za minutu (LFM) ze spodní části obvodové desky v porovnání s nulovým prouděním vzduchu na obrázku vpravo. Moduly a obvodová deska s prouděním vzduchu jsou přibližně o 20 °C chladnější.

Obrázek 4: přidání průtoku vzduchu o velikosti 200 LFM výrazně snižuje teplotu modulu a obvodové desky (vlevo). (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Důležitý je také směr proudění vzduchu a okolní teplota. Vlivem proudění vzduchu 400 LFM zprava doleva je teplo vytlačováno z jednoho modulu do druhého, čímž je nejchladnější modul umístěn vpravo, nejvyšší teplotu mají střední moduly a teplota modulu nalevo leží 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, a to i s přídavným chladičem (obrázek 5 vpravo).

Obrázek 5: Vliv okolních teplot 50 °C (vlevo) a 75 °C (vpravo) s prouděním vzduchu 400 LFM zprava doleva přes desku plošných spojů. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Pouzdra LGA a BGA pro montáž na zadní stranu

Skupina LTM4601 snižovacích DC/DC regulátorů s kontinuálním proudem 12 A (14 A ve špičce) poskytuje konstruktérům možnost volby pouzdra LGA 15 × 15 × 2,82 mm (mm) nebo BGA 15 × 15 × 3,42 mm. Moduly mají rozsah vstupního napětí 4,5 až 20 V_DC a mohou poskytovat výstup 0,6 až 5 V_DC se sledováním výstupního napětí a změnou jeho rozpětí. Vyznačují se regulací ±1,5 % a odchylkou ve špičce 35 mV pro dynamické změny zatížení od 0 % do 50 % a 50 % až 0 % plného zatížení s dobou ustálení 25 µs.

Tyto regulátory jsou k dispozici s integrovaným diferenciálním zesilovačem dálkového snímání nebo bez něj, který lze používat k přesné regulaci výstupního napětí nezávisle na zátěžovém proudu. Například regulátor LTM4601IV#PBF je umístěn v pouzdru LGA a regulátor LTM4601IY#PBF v pouzdru BGA, přičemž oba používají vestavěný diferenciální zesilovač dálkového snímání. Aplikace, které nevyžadují integrovaný zesilovač, mohou využít regulátor LTM4601IV-1#PBF v pouzdru LGA nebo LTM4601IY-1#PBF v pouzdru BGA. Tyto moduly jsou kompletními DC/DC regulátory, které potřebují pouze vstupní a výstupní kondenzátory, aby vyhovovaly specifickým konstrukčním požadavkům (obrázek 6). Nízký profil těchto modulů umožňuje jejich montáž na zadní stranu desky plošných spojů.

Obrázek 6: Regulátory μModule jsou kompletními měniči výkonu v tepelně zdokonalených pouzdrech. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Demonstrační obvod DC1041A-A od společnosti Analog Devices nabízí vyhodnocení rychlosti regulátorů LTM4601. Má rozsah vstupního napětí 4,5 až 20 V_DC a výstupní napětí volitelné propojkou nebo programovatelné pro náhodné zvyšování a snižování nebo raciometrické sledování výstupu jiného modulu.

Ultra-tenké regulátory

Výška 1,82 mm pouzdra LGA LTM4686 o rozměrech 16 × 11,9 mm od společnosti Analog Devices umožňuje tyto duální 10A nebo jednotlivé 20A regulátory umístit v dostatečné blízkosti pole FPGA, aby zařízení mohla sdílet společný chladič a byla tím zjednodušena regulace teplota. Tyto regulátory navíc pasují na zadní stranu desky plošných spojů. Integrovaná digitální správa napájení pomocí protokolu PMBus podporuje vzdálenou konfiguraci a sledování výstupního proudu, napětí, teploty a dalších parametrů v reálném čase. Tyto regulátory jsou k dispozici pro podporu dvou rozsahů vstupního napětí - model LTM4686IV#PBF pracuje v rozsahu 4,5 až 17 V_DC, model LTM4686IV-1#PBF pracuje v rozsahu 2,375 až 17 V_DC. Moduly LTM4686 podporují výstupy 0,5 až 3,6 V_DC s maximální výstupní chybou ±0,5 %. Tyto regulátory mohou dodávat proud 18 A při 1 V_DC ze vstupu 5 V_DC při okolní teplotě +85°C s průtokem vzduchu rychlostí 400 LFM.

Konstruktéři mohou k prozkoumání možností modulů LTM4686 využívat demonstrační obvod DC2722A v kombinaci se softwarem LTpowerPlay. Pro vyhodnocení pouze regulátoru lze DC2722A zapnout pomocí výchozího nastavení bez nutnosti komunikace přes PMBus. Přidání softwaru a hardwarového klíče PMBus umožňuje konstruktérům prozkoumat kompletní možnosti digitálního řízení spotřeby energie, včetně překonfigurování součásti za běhu a zobrazení telemetrických informací.

Aspekty uspořádání desky

Zatímco při paralelním zapojení regulátorů μModule k napájení pole FPGA existuje jen málo elektrických aspektů, důležité jsou parametry související s roztečí, průchody, zemními plochami a prouděním vzduchu. Konstrukce půdorysu pouzdra LGA naštěstí zjednodušuje rozložení napájecích a zemnících ploch a poskytuje pevné tepelné spojení s obvodovou deskou. Umístění čtyř paralelních regulátorů μModule je jednoduché pomocí opakování půdorysů pouzdra LGA (obrázek 7). S výjimkou neobvykle náročných prostředí poskytuje tepelně zdokonalené pouzdro spolu s výkonovou plochou obvykle dostatečné chlazení modulů.

Obrázek 7: půdorys pouzdra LGA regulátorů μModule zjednodušuje paralelní řazení více modulů a podporuje lepší tepelný výkon. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Závěr

Pro podporu vysoce výkonných počítačových aplikací vyžadují pole FPGA přesné a efektivní řízení spotřeby s rychlou dobou odezvy. Napájení mnoha napěťových lišt v poli FPGA je složitá výzva, kterou lze splnit pomocí integrovaných μModule DC/DC regulátorů od společnosti Analog Devices. Tyto regulátory také poskytují potřebný elektrický a tepelný výkon v kompaktních a snadno integrovatelných pouzdrech.