Opracowywanie kompaktowego i wysokosprawnego zasilania dla układów FPGA

Bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) są coraz częściej wykorzystywane w wysokowydajnych obliczeniach w procesach przetwarzania obrazu i wideo, systemach medycznych, motoryzacji, lotnictwie oraz sztucznej inteligencji i uczeniu maszynowym. Zasilanie macierzy FPGA to złożona funkcja o znaczeniu krytycznym, zawierająca dużą liczbę i różnorodność szyn zasilających, z których część wymaga dostarczania nawet 50A w krótkim czasie.

Prawidłowe działanie macierzy FPGA wymaga sekwencjonowania włączania i wyłączania szyn zasilających, monotonicznego narastania i opadania, a także wysokiej dokładności napięcia i szybkich odpowiedzi impulsowych. Ponadto regulatory prądu stałego dostarczające napięcia o różnych wartościach muszą mieć niewielkie rozmiary, umożliwiające umieszczenie w pobliżu macierzy FPGA w celu minimalizacji zjawisk pasożytniczych w liniach rozdziału zasilania, a także charakteryzować się wysoką sprawnością w celu minimalizacji wzrostu temperatur w pobliżu macierzy FPGA. W pewnych układach regulatory prądu stałego muszą być na tyle cienkie, aby można je było zamontować z tyłu płytki drukowanej.

Zaprojektowanie regulatorów prądu stałego o wysokiej sprawności i parametrach działania z niezbędnym zintegrowanym cyfrowym zarządzaniem zasilaniem jest możliwe, jednak uzyskanie bardzo kompaktowego, płaskiego formatu jest nie lada wyzwaniem. Trudność ta może skutkować licznymi iteracjami projektu i odciągać uwagę od projektowania układu macierzy FPGA, opóźniając wprowadzenie produktu na rynek i obniżając parametry działania układu.

Projektanci układów zasilania FPGA mogą wykorzystać w pełni przetestowane i zweryfikowane zintegrowane regulatory prądu stałego zawierające wszystkie komponenty, zamknięte w termicznie wydajnych obudowach typu LGA (Land Grid Array) i BGA (Ball Grid Array), nadających się do integracji bezpośrednio przy macierzach FPGA w celu maksymalizacji parametrów działania układu zasilania (i macierzy FPGA).

W artykule omówiono wymagania macierzy FPGA w dziedzinie zasilania ze szczególnym uwzględnieniem dokładności napięć, odpowiedzi impulsowych i sekwencjonowania napięć, a także wyzwania związane z odprowadzaniem ciepła na przykładach użytkowych. Następnie przedstawiono zintegrowane regulatory prądu stałego firmy Analog Devices przeznaczone do zasilania macierzy FPGA, w tym regulatory niskoprofilowe, które można zamontować z tyłu płyty drukowanej, oraz płytki ewaluacyjne i sugestie dotyczące integracji w celu przyspieszenia procesu projektowania.

Wymagania dotyczące zasilania macierzy FPGA

Funkcje w macierzach FPGA, np. rdzeń logiczny, obwody wejścia-wyjścia, obwody pomocnicze i nadajniko-odbiorniki, wymagają stosowania różnych szyn zasilających. Są one zwykle zasilane za pomocą architektury zasilania rozproszonego zawierającej jeden lub kilka regulatorów prądu stałego, zwanych również regulatorami w punkcie obciążenia (PoL), dla każdej szyny zasilającej. Większość z tych regulatorów wykorzystuje impulsową konwersję mocy w celu maksymalizacji sprawności, jednak wrażliwe na zakłócenia obwody - takie jak nadajniko-odbiorniki - mogą wymagać użycia liniowych regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO).

W niewielkich układach wspólne napięcie dystrybucyjne wynosi zwykle 5 lub 12V₌, co pozwala na bezpośrednie zasilanie regulatorów w punkcie obciążenia (PoL). W większych układach napięcie dystrybucyjne może wynosić 24 lub 48V₌. W przypadku stosowania wyższych napięć dystrybucyjnych wykorzystuje się regulator obniżający, którego zadaniem jest obniżenie napięcia dystrybucyjnego do 5 lub 12V₌ na magistrali napięcia pośredniego zasilającej regulatory PoL. Regulatory PoL dostarczają niskie napięcia wymagane przez poszczególne szyny zasilające macierze FPGA (ilustracja 1). Każda szyna zasilająca ma określone wymagania m.in. w zakresie dokładności, odpowiedzi impulsowej czy sekwencjonowania.

Ilustracja 1: do zasilania macierzy FPGA potrzebnych jest wiele regulatorów w punkcie obciążenia (PoL). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Regulator PoL rdzenia jest zwykle najważniejszym źródłem zasilania macierzy FPGA. Napięcie rdzenia może wynosić poniżej 1V₌, natężenie prądu może sięgać dziesiątek amperów, a wymagana dokładność to co najmniej ±3%, aby zapobiec błędom logicznym. Na przykład dla macierzy FPGA ze specyfikacją tolerancji napięcia rdzenia ±3%, regulator o dokładności ±1,5% zapewnia kolejne ±1,5% dla stanów nieustalonych. Regulator w punkcie obciążenia (PoL) cechujący się dobrą odpowiedzią impulsową zapewnia solidne parametry działania. Jednak regulator o dokładności ±2% może sprawić, że osiągnięcie wymaganych parametrów będzie trudne. Jedynie ±1% jest dostępne dla odpowiedzi impulsowej, co wymaga dodania kondensatorów obejściowych i może powodować błędy logiczne podczas stanów nieustalonych.

Zalety i wady sekwencjonowania

Oprócz wysokich wymagań dotyczących zasilania podczas pracy, macierze FPGA wymagają precyzyjnej synchronizacji włączania i wyłączania różnych szyn zasilających w określonych sekwencjach. Nowoczesne układy FPGA często są wyposażone w liczne szyny zasilające podzielone na kilka grup, które mogą być włączane i wyłączane razem. Na przykład macierze FPGA Altera Arria 10 firmy Intel posiadają strefy zasilania zorganizowane w trzy grupy. Grupy te muszą włączać zasilanie kolejno od grupy 1 (z sześcioma szynami napięciowymi) przez grupę 2 (również sześć szyn napięciowych) do grupy 3 (trzy szyny), a wyłączać w odwrotnej kolejności, aby zapobiec uszkodzeniu macierzy FPGA (ilustracja 2).

Ilustracja 2: macierze FPGA wymagają włączania i wyłączania szyn zasilających w określonej kolejności. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Chłodzenie

Z powodu dużej liczby regulatorów umieszczonych w pobliżu bezpośrednio programowalnej macierzy bramek (FPGA), problemem jest odprowadzanie ciepła. Firma Analog Devices przygotowała płytkę drukowaną umożliwiającą demonstrację niektórych opcji odprowadzania ciepła podczas korzystania z wielu regulatorów (ilustracja 3). Na parametry termiczne wpływa rozmieszczenie regulatorów, kierunek i natężenie przepływu powietrza oraz temperatura otoczenia.

Ilustracja 3: płytka demonstracyjna do ewaluacji odprowadzania ciepła firmy Analog Devices przeznaczona dla równoległych regulatorów. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W przypadku pierwszego porównania temperatura jest mierzona w siedmiu miejscach płytki demonstracyjnej. Miejsca od 1 do 4 pokazują temperaturę powierzchni modułów, a miejsca od 5 do 7 temperaturę powierzchni płytki drukowanej (ilustracja 4). Na obu termografach moduły zewnętrzne mają niższą temperaturę w związku ze zwiększonym chłodzeniem osiągniętym dzięki wykorzystaniu powierzchni płytki drukowanej z trzech stron w odróżnieniu od modułów centralnych rozpraszających ciepło tylko z dwóch stron. Ważny jest również przepływ powietrza. Termograf po lewej stronie pokazuje przepływ powietrza pochodzącego z dolnej części płytki drukowanej o natężeniu 200LFM w porównaniu z brakiem przepływu powietrza na ilustracji po prawej stronie. Moduły i płytka drukowana z przepływem powietrza są chłodniejsze o około 20°C.

Ilustracja 4: wprowadzenie przepływu powietrza o natężeniu 200LFM znacząco obniża temperaturę modułów i płytki drukowanej (lewa strona). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Kierunek przepływu powietrza i temperatura otoczenia są również ważne. Zastosowanie przepływu powietrza o natężeniu 400LFM od prawej do lewej strony powoduje transfer ciepła z jednego modułu do drugiego, w wyniku czego najchłodniejszy moduł znajduje się po prawej stronie, temperatura środkowych modułów jest najwyższa, a modułów po lewej stronie ma wartość pośrednią (ilustracja 5, lewa strona). W ramach próby kompensacji wyższej temperatury otoczenia, na modułach pracujących w temperaturze 75°C umieszczono radiatory. W tych ekstremalnych warunkach moduły są znacznie gorętsze nawet przy zastosowaniu dodatkowych radiatorów (ilustracja 5, prawa strona).

Ilustracja 5: wpływ temperatury otoczenia 50°C (po lewej) i 75°C (po prawej) przy przepływie powietrza o natężeniu 400LFM od prawej do lewej strony płytki drukowanej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Obudowy LGA i BGA do montażu z tyłu

Obniżające regulatory prądu stałego o natężeniu ciągłym 12A (natężenie szczytowe14A) z grupy LTM4601 mogą posiadać obudowy LGA 15 × 15 × 2,82mm lub BGA 15 × 15 × 3,42mm. Posiadają zakres napięć wejściowych od 4,5 do 20V₌ i mogą dostarczać napięcia wyjściowe od 0,6 do 5V₌ oraz zapewniać śledzenie i kompensację napięcia wyjściowego. Charakteryzują się regulacją ±1,5% i odchyleniem szczytowym 35mV przy dynamicznych zmianach obciążenia od 0% do 50% oraz od 50% do 0% pełnego obciążenia z czasem ustalania się na poziomie 25µs.

Regulatory te mogą również posiadać wbudowany wzmacniacz różnicowy zdalnego pomiaru, który może być wykorzystany do dokładnej regulacji napięcia wyjściowego niezależnie od prądu obciążeniowego. Na przykład urządzenie LTM4601IV#PBF posiada obudowę typu LGA, a urządzenie LTM4601IY#PBF obudowę typu BGA. Ponadto oba mają wbudowany wzmacniacz różnicowy zdalnego pomiaru. W zastosowaniach, które nie wymagają wbudowanego wzmacniacza, można zastosować urządzenie LTM4601IV-1#PBF w obudowie LGA lub LTM4601IY-1#PBF w obudowie BGA. Moduły te stanowią kompletne regulatory prądu stałego wymagające jedynie zastosowania kondensatorów wejściowych i wyjściowych odpowiednich do wymagań projektowych (ilustracja 6). Niski profil omawianych modułów umożliwia ich montaż na tylnej stronie płytki drukowanej.

Rysunek 6: regulatory μModule® to kompletne przetwornice mocy w obudowach o ulepszonych właściwościach termicznych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Firma Analog Devices oferuje obwody demonstracyjne DC1041A-A umożliwiające przyspieszenie ewaluacji regulatorów LTM4601. Zakres napięć wejściowych wynosi od 4,5 do 20V₌, a napięcie wyjściowe wybierane jest za pomocą mostka oraz programowane tak, aby narastało i opadało przypadkowo lub proporcjonalnie do wyjścia innego modułu.

Ultracienkie regulatory

Wysokość 1,82mm obudowy LGA 16 × 11,9mm urządzenia LTM4686 firmy Analog Devices umożliwia umieszczenie omawianych podwójnych regulatorów 10A lub pojedynczych 20A na tyle blisko macierzy FPGA, że urządzenia mogą korzystać ze wspólnego radiatora, co upraszcza odprowadzanie ciepła. Ponadto regulatory te mieszczą się z tyłu płytki drukowanej. Zintegrowane cyfrowe zarządzanie zasilaniem wykorzystujące protokół magistrali PMBus umożliwia zdalną konfigurację oraz monitorowanie prądu wyjściowego, napięcia, temperatury i innych parametrów w czasie rzeczywistym. Omawiane regulatory są dostępne na dwa zakresy napięć wejściowych: LTM4686IV#PBF pracuje w zakresie od 4,5 do 17V₌, a LTM4686IV-1#PBF od 2,375 do 17V₌. Moduły LTM4686 obsługują wyjścia od 0,5 do 3,6V₌ z maksymalnym błędem wyjściowym ±0,5%. Omawiane regulatory mogą dostarczać 18A przy 1V₌ z wejścia 5V₌ w temperaturze otoczenia 85°C przy przepływie powietrza o natężeniu 400LFM.

Projektanci mogą wykorzystać obwód demonstracyjny DC2722A w połączeniu z oprogramowaniem LTpowerPlay do badania możliwości modułów LTM4686. Aby przeprowadzić ewaluację samego regulatora, obwód DC2722A można wyłączyć przy użyciu ustawień domyślnych bez potrzeby komunikacji z magistralą PMBus. Dodanie oprogramowania i klucza sprzętowego magistrali PMBus umożliwia projektantom poznanie pełnych możliwości cyfrowego zarządzania zasilaniem, w tym rekonfigurację części na bieżąco i przeglądanie informacji telemetrycznych.

Zagadnienia dotyczące układu płytki

Łączenie równoległe regulatorów μModule® w celu zasilania macierzy FPGA nie wiąże się z wieloma kwestiami z dziedziny elektryki, jednak należy wziąć pod uwagę parametry związane z odstępami, przelotkami, płaszczyznami masowymi i przepływem powietrza. Na szczęście zajmowana powierzchnia obudowy typu LGA upraszcza rozmieszczenie płaszczyzn zasilania i masy oraz zapewnia solidne połączenie termiczne z płytką drukowaną. Rozmieszczenie czterech równoległych regulatorów μModule® polega na prostym powtórzeniu układu obudowy LGA (ilustracja 7). Z wyjątkiem szczególnie trudnych środowisk, obudowa o ulepszonych właściwościach termicznych wraz z płaszczyzną zasilania zwykle zapewnia wystarczające chłodzenie modułów.

Ilustracja 7: powierzchnia zajmowana przez obudowę typu LGA regulatorów μModule® upraszcza równoległe łączenie wielu modułów i polepsza parametry termiczne. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podsumowanie

Stosowanie macierzy FPGA do obliczeń o wysokiej wydajności wymaga użycia precyzyjnego i sprawnego zarządzania zasilaniem zapewniającego krótki czas odpowiedzi. Zasilanie licznych szyn napięciowych w macierzy FPGA to złożone wyzwanie, któremu można sprostać, stosując zintegrowane regulatory prądu stałego μModule® firmy Analog Devices. Wspomniane regulatory o kompaktowej i łatwej do integracji konstrukcji zapewniają również wymagane parametry elektryczne i termiczne.