Cum să dezvoltați soluții de alimentare compacte și eficiente pentru FPGA-uri

Rețelele de porți programabile în câmp (FPGA) sunt utilizate din ce în ce mai mult pentru a sprijini calculul de înaltă performanță în procesarea videoclipurilor și a imaginilor, sistemele medicale, aplicațiile din domeniul auto și aerospațial, precum și în domeniul inteligenței artificiale (AI) și al învățării automate (ML). Alimentarea unui FPGA este o funcție complexă și esențială care implică un număr mare și o varietate de șine de alimentare, unele dintre ele necesitând până la 50 de amperi (A), rapid.

Pentru o funcționare corectă a FPGA-urilor, șinele de alimentare au nevoie de secvențe de pornire și oprire, trebuie să crească și să scadă monoton și au nevoie de o precizie ridicată a tensiunii și de răspunsuri tranzitorii rapide. În plus, regulatoarele de curent continuu la curent continuu (c.c./c.c.) care furnizează diferite tensiuni trebuie să fie mici, astfel încât să poată fi plasate în apropierea FPGA-urilor, pentru a minimiza efectele parazite în liniile de distribuție a energiei și trebuie să fie eficiente pentru a minimiza creșterea temperaturii în apropierea FPGA. În unele sisteme, regulatoarele c.c./c.c. trebuie să fie suficient de subțiri pentru a fi montate pe partea din spate a plăcii de circuite imprimate (PCB).

Deși este posibilă proiectarea regulatoarelor c.c./c.c. de înaltă eficiență și de înaltă performanță cu gestionarea digitală integrată necesară a energiei, realizarea acestui lucru într-un format foarte compact și cu profil redus este o provocare formidabilă. Aceasta poate duce la numeroase iterații de proiectare și poate deveni un factor care distrage atenția de la proiectarea sistemului FPGA, întârziind timpul de lansare pe piață și reducând performanța sistemului.

Proiectanții de sisteme de alimentare FPGA pot utiliza regulatoare c.c./c.c. integrate, complet testate și verificate, care includ toate componentele în capsule compacte și eficiente din punct de vedere termic, de tip Land Grid Array (LGA) și Ball Grid Array (BGA), care sunt potrivite pentru integrarea direct adiacentă la FPGA pentru a maximiza performanța sistemului de alimentare (și a FPGA-ului).

Acest articol trece în revistă cerințele de alimentare ale FPGA-urilor, punând accentul pe precizia tensiunii, răspunsul tranzitoriu și secvențierea tensiunii, dar și detaliază provocările legate de gestionarea termică, oferind exemple de funcționare. Apoi prezintă regulatoare c.c./c.c. integrate potrivite pentru alimentarea FPGA, de la Analog Devices, inclusiv regulatoare cu profil redus care pot fi montate pe partea din spate a plăcii PCB, împreună cu plăci de evaluare și sugestii de integrare pentru a accelera procesul de proiectare.

Cerințe de putere FPGA

Funcțiile din cadrul FPGA-urilor, cum ar fi logica de bază, circuitele de intrare/ieșire (I/O), circuitele auxiliare și emițătoarele-receptoarele necesită diferite șine de alimentare. De obicei, acestea sunt alimentate folosind o arhitectură de alimentare distribuită cu unul sau mai multe regulatoare c.c./c.c., numite și regulatoare pentru punct de sarcină (POL), pentru fiecare linie de alimentare. În timp ce majoritatea acestor regulatoare utilizează conversia de putere în modul de comutație pentru eficiență maximă, circuitele sensibile la zgomot – cum ar fi emițătoarele-receptoarele – pot necesita utilizarea regulatoarelor liniare cu căderi reduse (LDO).

De obicei, în sistemele mici, tensiunea de distribuție a energiei electrice este de 5 sau 12 volți c.c. (V_c.c.), ce poate alimenta direct POL-urile. În sistemele mai mari, tensiunea de distribuție poate fi de 24 sau 48 V_c.c. Atunci când se utilizează tensiuni de distribuție mai mari, se utilizează un regulator de coborâre pentru a reduce tensiunea de distribuție la 5 sau 12 V_c.c.pe o magistrală de tensiune intermediară care alimentează POL-urile. POL-urile furnizează tensiunile joase necesare pentru șinele de alimentare individuale ale FPGA (Figura 1). Fiecare șină de alimentare are cerințe specifice legate de precizie, răspuns tranzitoriu, secvențiere și alți parametri.

Figura 1: pentru alimentarea unui FPGA sunt necesare mai multe regulatoare POL. (Sursă imagine: Analog Devices)

POL de bază este, de obicei, cea mai importantă sursă de energie dintr-un FPGA. Puterea de bază poate fi sub 1 V_c.c., cu zeci de amperi de curent și are adesea o cerință de precizie de ±3% sau mai bună, pentru a preveni erorile logice. De exemplu, pentru un FPGA cu o specificație de toleranță a tensiunii de bază de ±3%, un regulator cu o precizie de ±1,5% oferă încă ±1,5% pentru curenții tranzitorii. Dacă POL are un răspuns tranzitoriu bun, acesta va oferi performanțe solide. Cu toate acestea, un regulator cu o precizie de ±2% poate face dificilă obținerea performanțelor necesare. Există doar ±1% disponibil pentru răspunsul tranzitoriu, ceea ce necesită adăugarea de condensatoare de bypass și poate duce la erori logice în timpul curenților tranzitorii.

Suișurile și coborâșurile secvențierii

Pe lângă cerințele exigente de alimentare în timpul funcționării, FPGA-urile au nevoie ca diversele șine de alimentare să se activeze și să se dezactiveze în secvențe specifice, cu sincronizare precisă. FPGA-urile moderne au adesea numeroase șine de alimentare organizate în câteva grupuri care pot fi activate și dezactivate împreună. De exemplu, FPGA-urile Altera Arria 10 de la Intel au domenii de putere organizate în trei grupuri. Aceste grupuri trebuie să se activeze în ordine, de la Grupul 1 (cu șase șine de tensiune) la Grupul 2 (tot șase șine de tensiune) la Grupul 3 (trei șine) și să se dezactiveze în ordine inversă, pentru a preveni deteriorarea FPGA-urilor (Figura 2).

Figura 2: FPGA-urile necesită ca șinele de alimentare să fie activate și dezactivate într-o anumită secvență. (Sursă imagine: Analog Devices)

Menținerea temperaturii scăzute

Cu atât de multe regulatoare instalate aproape de FPGA, gestionarea termică este un aspect important. Analog Devices a realizat o placă de circuite imprimate pentru a demonstra câteva opțiuni de gestionare termică atunci când se utilizează mai multe regulatoare (Figura 3). Performanța termică este afectată de amplasarea relativă a regulatoarelor, de direcția și cantitatea fluxului de aer și de temperatura mediului ambiant.

Figura 3: placa demonstrativă pentru gestionare termică pentru regulatoare paralele. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru prima comparație, temperatura este măsurată în șapte locații pe placa demonstrativă; locațiile 1-4 arată temperatura de la suprafața modulelor și locațiile 5-7 arată temperatura de la suprafața plăcii de circuite imprimate (Figura 4). În ambele termograme, modulele exterioare sunt mai reci, beneficiind de o mai mare capacitate de disipare a căldurii, asigurată prin utilizarea suprafeței plăcii de circuite imprimate pe trei laturi, în comparație cu modulele centrale care disipează căldura doar pe două laturi. De asemenea, fluxul de aer este important. În termograma din stânga, există un flux de aer de 200 de picioare liniare pe minut (LFM) care provine din partea inferioară a plăcii de circuite imprimate, în comparație cu fluxul de aer din imaginea din dreapta. Modulele și placa de circuite imprimate cu flux de aer sunt cu aproximativ 20 °C mai reci.

Figura 4: adăugarea unui flux de aer de 200 LFM reduce semnificativ temperaturile modulelor și ale plăcii de circuite imprimate (stânga). (Sursă imagine: Analog Devices)

Direcția fluxului de aer și temperatura ambiantă sunt, de asemenea, importante. Utilizarea fluxului de aer de 400 LFM de la dreapta la stânga împinge căldura de la un modul la altul, rezultatul fiind că cel mai rece modul se află în dreapta, modulele din centru sunt cele mai fierbinți, iar modulul din stânga se încadrează între acestea (Figura 5, stânga). Pentru a încerca să se compenseze temperatura ambiantă mai ridicată, pe modulele care funcționează la 75 °C au fost amplasate radiatoare. În aceste condiții extreme, modulele sunt semnificativ mai fierbinți, chiar și cu ajutorul disipării termice suplimentare (Figura 5, dreapta).

Figura 5: impactul temperaturilor ambientale de 50 °C (stânga) și 75 °C (dreapta) cu un flux de aer de 400 LFM de la dreapta la stânga pe placa de circuite imprimate. (Sursă imagine: Analog Devices)

Capsule LGA și BGA pentru montare pe partea din spate

Familia LTM4601 de regulatoare de coborâre c.c./c.c. de 12 A continuu (vârf de 14 A) oferă proiectanților posibilitatea de a alege între o capsulă LGA de 15 × 15 × 2,82 milimetri (mm) sau o capsulă BGA de 15 × 15 × 3,42 mm. Acestea au o gamă de tensiuni de intrare de la 4,5 la 20 V_c.c. și pot furniza ieșiri de la 0,6 la 5 V_c.c. cu urmărire și marjă a tensiunii de ieșire. Acestea au o reglare de ±1,5% și o abatere de vârf de 35 mV pentru schimbări dinamice de sarcină de la 0% la 50% și de la 50% la 0% din sarcina maximă, cu un timp de stabilizare de 25 microsecunde (µs).

Aceste regulatoare sunt disponibile cu și fără un amplificator de detecție la distanță diferențială încorporat, care poate fi utilizat pentru a regla cu precizie o tensiune de ieșire independentă de curentul de sarcină. De exemplu, LTM4601IV#PBF este într-un LGA, iar LTM4601IY#PBF este într-un BGA și ambele au un amplificator de detecție la distanță diferențială încorporat. Aplicațiile care nu au nevoie de amplificatorul încorporat pot utiliza LTM4601IV-1#PBF într-un LGA sau LTM4601IY-1#PBF într-un BGA. Aceste module sunt regulatoare c.c./c.c. complete, necesitând doar condensatoare de intrare și de ieșire pentru a respecta cerințele specifice de proiectare (Figura 6). Profilul redus al acestor module le permite să fie montate pe partea din spate a plăcii de circuite imprimate.

Figura 6: regulatoarele μModule sunt convertoare de putere complete în capsule îmbunătățite din punct de vedere termic. (Sursă imagine: Analog Devices)

Analog Devices oferă circuitul demonstrativ DC1041A-A pentru a accelera evaluarea regulatoarelor LTM4601. Acesta are un interval de tensiune de intrare de la 4,5 la 20 V_c.c. și o tensiune de ieșire care poate fi selectată prin firul de șuntare, precum și programată pentru a crește și a scădea în mod coincident sau rațiometric, urmărind ieșirea unui alt modul.

Regulatoare ultra-subțiri

Înălțimea de 1,82 mm a capsulei LGA de 16 × 11,9 mm a LTM4686 de la Analog Devices permite plasarea acestor regulatoare duale de 10 A sau simple de 20 A suficient de aproape de un FPGA pentru ca dispozitivele să poată împărți un radiator comun, simplificând gestionarea termică. În plus, aceste regulatoare se potrivesc pe partea din spate a plăcii de circuite imprimate. Gestionarea integrată digitală a energiei, care utilizează protocolul PMBus, acceptă configurarea de la distanță și monitorizarea în timp real a curentului de ieșire, a tensiunii, a temperaturii și a altor parametri. Aceste regulatoare sunt disponibile pentru a accepta două intervale de tensiune de intrare; LTM4686IV#PBF funcționează de la 4,5 la 17 V_c.c., iar LTM4686IV-1#PBF de la 2.375 la 17 V_c.c. Modulele LTM4686 acceptă ieșiri de la 0,5 la 3,6 V_c.c. cu o eroare maximă de ieșire de ±0,5%. Aceste regulatoare pot furniza 18 A la 1 V_c.c. de la o intrare de 5 V_c.c. la o temperatură ambiantă de +85 °C cu un flux de aer de 400 LFM.

Proiectanții pot utiliza circuitul demonstrativ DC2722A combinat cu software-ul LTpowerPlay pentru a explora capacitățile modulelor LTM4686. Pentru a evalua doar regulatorul, DC2722A poate fi pornit folosind setările implicite, fără a fi necesară comunicarea PMBus. Adăugarea software-ului și a dongle-ului PMBus permite proiectanților să exploreze capacitățile complete de gestionare digitală a energiei, inclusiv reconfigurarea din mers a componentei și vizualizarea informațiilor telemetrice.

Considerente privind dispunerea plăcii

Deși există puține considerente electrice atunci când se pun în paralel regulatoarele μModule pentru a alimenta FPGA-uri, parametrii legați de distanțare, căi, planuri de masă și fluxul de aer sunt importanți. Din fericire, proiectarea amprentei LGA simplifică dispunerea planurilor de alimentare și de împământare și asigură o conexiune termică solidă cu placa de circuite imprimate. Amplasarea a patru regulatoare μModule paralele este o simplă chestiune de repetare a amprentei LGA (Figura 7). Cu excepția mediilor neobișnuit de dificile, capsula îmbunătățită termic, împreună cu planul de alimentare, asigură, de obicei, o răcire adecvată pentru module.

Figura 7: amprenta LGA a regulatoarelor μModule simplifică punerea în paralel a mai multor module și permite îmbunătățirea performanțelor termice. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Pentru a susține aplicațiile de calcul de înaltă performanță, FPGA-urile necesită o gestionare precisă și eficientă a energiei cu un timp de răspuns rapid. Alimentarea numeroaselor șine de tensiune dintr-un FPGA este o provocare complexă care poate fi rezolvată cu ajutorul regulatoarelor integrate μModule c.c./c.c. de la Analog Devices. De asemenea, aceste regulatoare oferă performanța electrică și termică necesară în capsule compacte și ușor de integrat.