Kompaktien ja tehokkaiden virransyöttöratkaisujen kehittäminen ohjelmoitaville porttimatriiseille

Ohjelmoitavia porttimatriiseja (FPGA) käytetään yhä enemmän tukemaan korkean suorituskyvyn laskentaa video- ja kuvankäsittelyssä, lääketieteellisissä järjestelmissä, autoteollisuus- ja ilmailuteollisuuden sovelluksissa sekä tekoälyssä (AI) ja koneoppimisessa (ML). Ohjelmoitavan porttimatriisin virransyöttö on kompleksinen ja kriittinen toiminto, johon liittyy suuri määrä erilaisia jännitetasoja, joista jotkut vaativat nopeasti jopa 50 ampeeria (A).

Ohjelmoitavan porttimatriisin moitteettoman toiminnan varmistamiseksi jännitetasojen on kytkeydyttävä päälle ja pois tarkassa järjestyksessä, niiden on noustava ja laskettava monotonisesti ja ne vaativat tarkkoja jännitteitä ja nopeita transienttivasteita. Lisäksi eri jännitteitä syöttävien DC/DC-regulaattorien täytyy olla pieniä, jotta ne voidaan sijoittaa ohjelmoitavan porttimatriisin lähelle minimoimaan sähkönjakelujohtimien loisvirrat. Niiden täytyy olla myös energiatehokkaita, jotta lämpötilan nousu olisi mahdollisimman vähäistä porttimatriisin läheisyydessä. Joissakin järjestelmissä DC/DC-regulaattorien on oltava niin ohuita, että ne voidaan asentaa piirilevyn takasivulle.

Vaikka erittäin tehokkaiden ja suorituskykyisten DC/DC-regulaattoreiden suunnittelu tarvittavalla integroidulla digitaalisella tehonhallinnalla on mahdollista, sen toteuttaminen erittäin kompaktissa ja matalaprofiilisessa muodossa on suuri haaste. Se voi johtaa lukuisiin suunnitteluiteraatioihin ja häiritä ohjelmoitavan porttimatriisijärjestelmän suunnittelua, viivästyttää markkinoilletuontia ja heikentää järjestelmän suorituskykyä.

Ohjelmoitavien porttimatriisien virransyöttöjärjestelmien suunnittelijat voivat käyttää täysin testattuja ja verifioituja integroituja DC/DC-regulaattoreita, jotka sisältävät kaikki komponentit pienikokoisissa ja termisesti tehokkaissa LGA (Land Grid Array)- ja BGA (Ball Grid Array) -koteloissa ja jotka soveltuvat integroitaviksi suoraan ohjelmoitavan porttimatriisin viereen tehojärjestelmän (ja porttimatriisin) suorituskyvyn maksimoimiseksi.

Tässä artikkelissa tarkastellaan ohjelmoitavien porttimatriisien virransyöttötarpeita ja keskitytään jännitetarkkuuteen, transienttivasteeseen ja jännitteen sekvensointiin sekä kerrotaan yksityiskohtaisesti lämmönhallintaan liittyvistä haasteista käyttöesimerkkien avulla. Siinä esitellään sen jälkeen ohjelmoitavan porttimatriisin virransyöttöön soveltuvat integroidut DC/DC-regulaattorit (valmistaja Analog Devices), mukaan lukien matalaprofiiliset regulaattorit, jotka voidaan asentaa piirilevyn takasivulle. Lisäksi siinä käsitellään suunnitteluprosessia nopeuttavia evaluointikortteja ja integrointiehdotuksia.

Ohjelmoitavan porttimatriisin virransyöttövaatimukset

Ohjelmoitavien porttimatriisien sisältämät toiminnot, kuten ydinlogiikka, I/O-piirit, lisäpiirit ja lähetin-vastaanottimet, vaativat eri jännitetasoja. Kunkin jännitetason saavuttamiseen käytetään yleensä hajautettua tehoarkkitehtuuria, johon kuuluu yksi tai useampi DC/DC-regulaattori, joita kutsutaan myös POL (point-of-load) -regulaattoreiksi. Useimmissa näistä regulaattoreista käytetään hakkurivirtamuunnosta maksimaalisen hyötysuhteen saavuttamiseksi, mutta kohinaherkät piirit, kuten lähetin-vastaanottimet, voivat vaatia LDO (low-dropout) -regulaattorien käyttöä.

Pienissä järjestelmissä päävirran jakelujännite on yleensä 5 tai 12 volttia DC (V_DC), joka voidaan syöttää suoraan POL-regulaattoreihin. Suuremmissa järjestelmissä jakelujännite voi olla 24 tai 48 V_DC. Korkeampia jakelujännitteitä käytettäessä jakelujännite pudotetaan jännitteenalennusregulaattorilla arvoon 5 tai 12 V_DC välijänniteväylälle, joka syöttää sen POL-regulaattoreille. POL-regulaattorit tarjoavat yksittäisen ohjelmoitavan porttimatriisin jännitetasojen vaatimat alhaiset jännitteet (kuva 1). Kullakin jännitetasolla on tarkkuuteen, transienttivasteeseen, sekvensointiin ja muihin parametreihin liittyviä erityisvaatimuksia.

Kuva 1: Ohjelmoitavan porttimatriisin virransyöttöön tarvitaan useita POL-regulaattoreita. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Ydin-POL on yleensä ohjelmoitavan porttimatriisin kriittisin teholähde. Ytimen jännite voi olla alle 1 V_DC kymmenien ampeerien virranvoimakkuudella ja tarkkuusvaatimuksena on usein ±3 % tai parempi logiikkavirheiden välttämiseksi. Ohjelmoitavassa porttimatriisissa, jonka ydinjännitteen toleranssispesifikaatio on ±3 %, tarkkuudeltaan ±1,5 prosentin regulaattori tarjoaa esimerkiksi toiset ±1,5 % transientteja varten. Jos POL-regulaattorilla on hyvä transienttivaste, se tarjoaa vakaan suorituskyvyn. Regulaattorilla, jonka tarkkuus on ±2 %, voi kuitenkin olla haastavaa saavuttaa tarvittava suorituskyky. Transienttivasteeseen on käytettävissä vain ±1 %, mikä edellyttää ohituskondensaattoreiden lisäämistä ja johtaa mahdollisesti logiikkavirheisiin transienttien aikana.

Sekvensointia ylös ja alas

Ohjelmoitavilla porttimatriiseilla on haastavat virransyöttövaatimukset käytön aikana ja lisäksi niiden täytyy kytkeä eri jännitetasoja päälle ja pois päältä tietyissä sekvensseissä tarkalla ajoituksella. Nykyaikaisissa ohjelmoitavissa porttimatriiseissa on usein lukuisia muutamaan ryhmään järjestettyjä jännitetasoja, jotka voidaan kytkeä päälle ja pois päältä yhdessä. Esimerkiksi Intelin ohjelmoitavissa Altera Arria 10 -porttimatriiseissa jännitetasot on järjestetty kolmeen ryhmään. Näiden ryhmien on käynnistyttävä järjestyksessä ryhmästä 1 (kuusi jännitetasoa) ryhmään 2 (myös kuusi jännitetasoa) ja ryhmään 3 (kolme tasoa) ja sammuttava päinvastaisessa järjestyksessä, jotta ohjelmoitava porttimatriisi ei vaurioidu (kuva 2).

Kuva 2: Ohjelmoitavat porttimatriisit vaativat jännitetasojen kytkeytymistä päälle ja pois päältä tietyssä järjestyksessä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Pitäminen viileänä

Lämmönhallinta on ongelma, koska niin monet regulaattorit sijoitetaan lähelle ohjelmoitavaa porttimatriisia. Analog Devices on luonut piirilevyn, jolla voidaan demonstroida joitakin lämmönhallintavaihtoehtoja useita regulaattoreita käytettäessä (kuva 3). Termiseen suorituskykyyn vaikuttavat regulaattorien suhteellinen sijoittelu, ilmavirran suunta ja määrä sekä ympäristön lämpötila.

Kuva 3: Lämmönhallinnan esittelykortti rinnakkain kytketyille regulaattoreille. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Lämpötila mitataan ensimmäistä vertailua varten seitsemästä kohdasta esittelykortilta; kohdat 1–4 näyttävät moduulien pintalämpötilan ja kohdat 5–7 näyttävät piirilevyn pintalämpötilan (kuva 4). Molemmissa lämpökuvissa ulommat moduulit ovat viileämpiä, koska ne hyötyvät paremmasta jäähdytyksestä, joka saadaan käyttämällä piirilevyn pinta-alaa kolmelta sivulta. Keskimmäiset moduulit haihduttavat lämpöä vain kahdelta sivulta. Myös ilmavirtaus on tärkeää. Vasemmanpuoleisessa lämpökuvassa piirilevyn alapuolelta tulee ilmavirta 200 lineaarista jalkaa minuutissa (LFM), kun taas oikeanpuoleinen kuva on ilman ilmavirtaa. Moduulit ja piirilevy ovat ilmavirralla noin 20 °C viileämpiä.

Kuva 4: 200 LFM:n ilmavirran lisääminen laskee merkittävästi moduulien ja piirilevyn lämpötilaa (vasemmalla). (Kuvan lähde: Analog Devices)

Myös ilmavirran suunta ja ympäristön lämpötila ovat tärkeitä. 400 LFM:n ilmavirta oikealta vasemmalle työntää lämpöä moduulilta toiselle, jolloin viilein moduuli on oikealla, keskimmäiset moduulit ovat kuumimpia ja vasemmalla olevan moduulin lämpötila on niiden väliltä (kuva 5, vasemmalla). 75 °C:n lämpötilassa toimiviin moduuleihin on sijoitettu jäähdytyslevyt kompensoimaan korkeampaa ympäristölämpötilaa. Moduulit kuumenevat huomattavasti näissä ääriolosuhteissa, vaikka niihin on asennettu lisäjäähdytyslevyjä (kuva 5, oikealla).

Kuva 5: Ympäristölämpötilan 50 °C (vasemmalla) ja 75 °C (oikealla) vaikutus 400 LFM:n ilmavirtauksella oikealta vasemmalle piirilevyn poikki. (Kuvan lähde: Analog Devices)

LGA- ja BGA-kotelot takasivulle asennukseen

LTM4601-tuoteperheen DC/DC-jännitteenalennusregulaattorit 12 A:n jatkuvalla (14 A:n hetkellisellä) virralla tarjoavat suunnittelijoille mahdollisuuden valita 15 × 15 × 2,82 millimetrin (mm) LGA- tai 15 × 15 × 3,42 mm BGA-kotelon. Niiden tulojännitealue on 4,5–20 V_DC, ja ne mahdollistavat lähdöt 0,6–5 V_DC lähtöjännitteen seurannalla ja marginaalien säädöllä. Niiden ominaisuuksiin kuuluu ±1,5 %:n regulointi ja 35 mV:n huippupoikkeama dynaamisissa kuormituksen muutoksissa välillä 0–50 % ja 50–0 % täydestä kuormituksesta laskettuna, ja niiden asettumisaika on 25 mikrosekuntia (µs).

Näitä regulaattoreita on saatavana sekä sisäisellä differentiaalisella etätunnistusvahvistimella että ilman sitä. Tätä etätunnistusvahvistinta voidaan käyttää lähtöjännitteen tarkkaan regulointiin kuormitusvirrasta riippumattomasti. Esimerkiksi LGA-koteloa käyttävä regulaattori LTM4601IV#PBF ja BGA-koteloa käyttävä LTM4601IY#PBF sisältävät kumpikin sisäänrakennetun differentiaalisen etätunnistusvahvistimen. Sovelluksissa, joissa ei tarvita sisäistä vahvistinta, voidaan käyttää regulaattoria LTM4601IV-1#PBF LGA-kotelossa tai LTM4601IY-1#PBF BGA-kotelossa. Nämä moduulit ovat valmiita DC/DC-regulaattoreita, jotka tarvitsevat vain tulo- ja lähtökondensaattorit sovelluskohtaisten suunnitteluvaatimusten täyttämiseksi (kuva 6). Näiden moduulien matala profiili mahdollistaa niiden asennuksen piirilevyn takasivulle.

Kuva 6: μModule-regulaattorit ovat valmiita tehomuuntimia termisesti parannetuissa koteloissa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Analog Devices tarjoaa esittelypiirin DC1041A-A LTM4601-regulaattorien evaluoinnin nopeuttamiseksi. Sen tulojännitealue on 4,5–20 V_DC. Lähtöjännite on valittavissa jumpperilla sekä ohjelmoitavissa niin, että se voi nousta ja laskea samanaikaisesti tai ratiometrisesti toisen moduulin lähtöä seuraten.

Erittäin ohuet regulaattorit

Analog Devices LTM4686 -mallin 16 × 11,9 mm:n LGA-kotelon korkeus 1,82 mm mahdollistaa näiden kahden 10 A:n tai yhden 20 A:n regulaattorin sijoittamisen niin lähelle ohjelmoitavaa porttimatriisia, että laitteet voivat jakaa jäähdytyslevyn, mikä yksinkertaistaa lämmönhallintaa. Lisäksi nämä regulaattorit sopivat piirilevyn takasivulle. Integroitu digitaalinen tehonhallinta PMBus-protokollan kautta tukee etäkonfigurointia ja lähtövirran, jännitteen, lämpötilan ja muiden parametrien reaaliaikaista seurantaa. Nämä regulaattorit ovat saatavilla kahdelle tulojännitealueelle LTM4686IV#PBF toimii jännitealueella 4,5–17 VDC_DC ja LTM4686IV-1#PBF jännitealueella 2,375–17 V_DC. LTM4686-moduulit tukevat lähtöjä 0,5–3,6 V_DC ±0,5 %:n enimmäislähtövirheellä. Nämä regulaattorit voivat tarjota 18 ampeeria 1 V_DC:n jännitteellä tulojännitteen ollessa 5 V_DC, ympäristölämpötilan ollessa +85 °C ja ilmavirtauksen ollessa 400 LFM.

Suunnittelijat voivat käyttää esittelypiiriä DC2722A yhdessä LTpowerPlay-ohjelmiston kanssa LTM4686-moduulien ominaisuuksiin tutustumiseen. Jos halutaan evaluoida pelkästään regulaattoria, DC2722A-esittelypiiri voidaan kytkeä päälle oletusasetuksilla ilman PMBus-yhteyttä. Ohjelmiston ja PMBus-käyttöavaimen lisääminen tarjoaa suunnittelijoille mahdollisuuden tutustua kaikkiin digitaalisiin tehonhallintaominaisuuksiin, mukaan lukien osan uudelleenkonfigurointi käytön aikana sekä telemetriatietojen tarkastelu.

Piirilevyn layoutia koskevia näkökohtia

Vaikka μModule-regulaattoreiden rinnakkainkytkentään ohjelmoitavien porttimatriisien virransyöttöä varten liittyy vain vähän sähköisiä näkökohtia, etäisyyksiin, läpivienteihin, maatasoihin ja ilmavirtaan liittyvät parametrit ovat tärkeitä. Onneksi LGA-rakenne yksinkertaistaa virta- ja maatasojen layoutia ja tarjoaa vahvan termisen yhteyden piirilevyyn. Neljän rinnakkaisen μModule-regulaattorin sijoittaminen vaatii yksinkertaisesti LGA-mallin toistamista (kuva 7). Termisesti optimoitu kotelo yhdessä virtatason kanssa tarjoaa yleensä riittävän jäähdytyksen moduuleille poikkeuksellisen haastavia ympäristöjä lukuun ottamatta.

Kuva 7: μModule-regulaattorien LGA-jalanjälki helpottaa useiden moduulien rinnakkaiskytkentää ja parantaa termistä suorituskykyä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Yhteenveto

Ohjelmoitavat porttimatriisit vaativat tarkkaa ja tehokasta tehonhallintaa nopealla vasteajalla huipputehokkaita laskentasovelluksia varten. Ohjelmoitavan porttimatriisin lukuisten jännitetasojen syöttö on kompleksinen haaste, joka voidaan ratkaista Analog Devices -yrityksen integroiduilla μModule DC/DC -regulaattoreilla. Nämä regulaattorit tarjoavat myös vaaditun sähköisen ja termisen suorituskyvyn kompakteissa ja helposti integroitavissa koteloissa.