Jó hatásfokú és kis méretű áramellátási megoldások fejlesztése FPGA-khoz

Az FPGA-kat (Field Programmable Gate Array, helyben programozható logikai kapumátrix) egyre gyakrabban használják a nagy teljesítményű számítástechnika támogatására a videó- és képfeldolgozás, a gyógyászati rendszerek, a gépjárműipari, a repülési és az űrhajózási berendezések, valamint a mesterséges intelligencia (AI) és a gépi tanulás (ML) területén. Az FPGA-k áramellátása összetett és kritikus funkció, amely sok és sokféle tápsínt foglal magában, némelyik FPGA-nak akár 50 A-es áramellátásra is szüksége van, méghozzá gyorsan.

Az FPGA-k megfelelő működéséhez a tápsínek esetében be- és kikapcsolási sorrendre, a feszültség monoton növekedésére vagy csökkenésére, valamint nagy pontosságú feszültségre és a tranziensekre való gyors reagálásra van szükség. Ezenkívül a különböző feszültségeket szolgáltató egyenfeszültség-szabályozóknak kis méretűeknek kell lenniük, hogy az FPGA közelében lehessen őket elhelyezni, minimálisra csökkentve ezzel a parazitakapacitásokat és -induktivitásokat a vezetőcsíkokban, és jó hatásfokúaknak kell lenniük, hogy minimális legyen a hőmérséklet-növekedés az FPGA közelében. Egyes rendszerekben az egyenfeszültség-szabályozóknak elég vékonyaknak (laposaknak) is kell lenniük ahhoz, hogy a nyomtatott áramköri lap hátoldalára lehessen őket szerelni.

Bár lehet jó hatásfokú és nagy teljesítményű, a szükséges beépített digitális feszültségszabályozással ellátott egyenfeszültség-szabályozókat tervezni, mindezt nagyon kis méretű, vékony (lapos) eszköz formájában megvalósítani komoly kihívást jelent. Ez az eszköz többszöri újratervezését eredményezheti, és elvonhatja a figyelmet az FPGA-rendszer tervezésétől, ami késlelteti a piacra kerülést, és csökkenti a rendszer teljesítményét.

Az FPGA-áramellátó rendszerek tervezői használhatják a teljes mértékben tesztelt és hitelesített integrált áramkörös egyenfeszültség-szabályozókat, amelyek minden alkatrészt tartalmaznak kis méretű és jó hűtést kínáló LGA (land grid array, felszíni rácselrendezésű) vagy BGA (ball grid array, gömblábas rácselrendezésű) tokozásban, amelyek elhelyezhetők az FPGA közvetlen közelében, hogy maximálisra növeljék az áramellátó rendszer (és az FPGA) teljesítményét.

Ez a cikk áttekinti az FPGA-k áramellátási igényeit, különös tekintettel a feszültség pontosságára, a tranziensekre adott válaszra és a feszültségsorrendre, valamint gyakorlati példákkal mutatja be a hűtéssel kapcsolatos feladatokat. Ezután ismerteti az Analog Devices FPGA-k táplálására alkalmas integrált áramkörös egyenfeszültség-szabályozóit, beleértve a vékony tokozású (lapos), a nyomtatott áramköri lap hátoldalára szerelhető feszültségszabályozókat, valamint a tervezési folyamatot felgyorsító fejlesztőkártyákat és összeépítési javaslatokat.

Az FPGA-k energiaigénye

Az FPGA-kon belüli funkciók, például a maglogika, a be- és kimeneti (I/O) áramkörök, a kiegészítő áramkörök és az adó-vevő egységek különböző tápsíneket igényelnek. Ezeket általában elosztott áramellátási architektúrával oldják meg, mindegyik tápsín esetében egy vagy több egyenfeszültség-szabályozóval, más néven terhelésponti (POL, point-of-load) feszültségszabályozóval. Míg a legtöbb ilyen feszültségszabályozó a maximális hatékonyság érdekében kapcsolóüzemű áramátalakítást használ, a zajérzékeny áramkörök – például az adó-vevő készülékek – megkövetelhetik a kis feszültségkülönbségű (low-dropout, LDO) lineáris feszültségszabályozók használatát.

A kis rendszerekben az elosztott feszültség általában 5 V vagy 12 V egyenfeszültség (V_DC), amely alkalmas a terhelésponti feszültségszabályozók közvetlen táplálására. Nagyobb rendszerekben az elosztott feszültség lehet 24 V vagy 48 V egyenfeszültség. Nagyobb elosztott feszültségek használata esetén egy feszültségcsökkentő feszültségszabályozót használnak az elosztott feszültség 5 V vagy 12 V egyenfeszültségre csökkentésére egy köztes feszültségsínre, amely a terhelésponti feszültségszabályozókat táplálja. A terhelésponti feszültségszabályozók szolgáltatják aztán az egyes FPGA-tápsínekhez szükséges kis feszültségeket (1. ábra). Minden egyes tápsínnek egyedi követelményei vannak a pontosság, a tranziensekre adott válaszok, a sorrend és más paraméterek tekintetében.

1. ábra: Egy FPGA áramellátásához több terhelésponti feszültségszabályozóra van szükség (kép: Analog Devices)

Az FPGA legkritikusabb áramforrása általában a magot tápláló terhelésponti feszültségszabályozó. A mag tápfeszültsége lehet 1 V alatti, több tíz amper áramerősséggel, és gyakran ±3%-os vagy nagyobb pontossági követelménnyel a logikai hibák elkerülése érdekében. Például egy ±3%-os magtápfeszültség-tűrésű FPGA esetében egy ±1,5%-os pontosságú feszültségszabályozó további ±1,5%-ot biztosít a tranziensekre. Ha a terhelésponti feszültségszabályozónak jó a tranziensekre adott reakciója, ez stabil teljesítményt tesz lehetővé. Egy ±2%-os pontosságú feszültségszabályozóval azonban kihívást jelenthet a szükséges teljesítmény elérése. Csak ±1% áll rendelkezésre a tranziensekre való reagálásra, ami megkerülőkondenzátorok hozzáadását teszi szükségessé, és tranziensek fellépése esetén logikai hibák lehetőségét rejti.

A sorrendiség előnyei és hátrányai

Az FPGA-k működés közbeni energiaigénye mellett a különböző tápsíneknek meghatározott sorrendben, pontos időzítéssel kell be- és kikapcsolniuk. A korszerű FPGA-khoz gyakran sok tápsín tartozik, amelyek több csoportba vannak szervezve, és az egyes csoportok tagjai együtt kapcsolhatók be és ki. Az Intel Altera Arria 10 FPGA-k tápsínjei például három csoportba vannak szervezve. Ezeknek a csoportoknak a bekapcsolási sorrendje: 1. csoport (hat tápsínnel), majd a 2. csoport (szintén hat tápsínnel) és végül a 3. csoport (három tápsínnel), kikapcsolniuk pedig fordított sorrendben kell az FPGA károsodásának elkerülése érdekében (2. ábra).

2. ábra: Az FPGA-k megkövetelik, hogy a tápsínek be- és kikapcsolása meghatározott sorrendben történjen (kép: Analog Devices)

Hűvösen tartva

Mivel ennyi feszültségszabályozó van elhelyezve az FPGA közelében, a hűtés aggodalomra adhat okot. Az Analog Devices összeállított egy nyomtatott áramköri kártyát, amely többféle hűtési lehetőséget szemléltet több feszültségszabályozó használata esetén (3. ábra). A hűtési teljesítményt befolyásolja a feszültségszabályozók egymáshoz és a többi alkatrészhez képest való elhelyezése, a légáramlás iránya és mennyisége, valamint a környezeti hőmérséklet.

3. ábra: Hűtésszeméltető kártya párhuzamosan elhelyezett feszültségszabályozókhoz (kép: Analog Devices)

Az első összehasonlításhoz a személtetőkártya hét pontján mérjük a hőmérsékletet. Az 1–4. pont a modulok, az 5–7. pont pedig a nyomtatott áramköri kártya felületi hőmérsékletét mutatja (4. ábra). A szélső modulok mindkét hődiagramon hűvösebbek, mert a középső modulokhoz képest, amelyek csak két oldalról vannak hűtve, a kártyán való elhelyezkedésük miatt három oldalról kapnak hűtést, amely ennélfogva nagyobb mértékű. A légáramlás szintén lényeges. A bal oldali hődiagramon 200 folyóláb/perc (LFM, linear feet per minute) (61 folyóméter/perc) légáramlás érkezik a nyomtatott áramköri kártya aljáról, míg a jobb oldali képen nincs légáramlás. Az áramló levegőt kapó modulok és nyomtatott áramköri kártya körülbelül 20 °C-kal hidegebbek.

4. ábra: A 200 LFM mértékű légáramlás jelentősen csökkenti a modul és a nyomtatott áramköri kártya hőmérsékletét (balra) (kép: Analog Devices)

Fontos a légáramlás iránya és a környezeti hőmérséklet is. A jobbról balra irányuló, 400 LFM (122 folyóméter/perc) mértékű légáramlás a hőt egyik modulról a másikra fújja. Ez azt eredményezi, hogy jobb oldali modul lesz a leghidegebb, a középső modulok a legmelegebbek, a bal oldali modul pedig a kettő közötti hőmérsékletű (5. ábra, balra). A magasabb környezeti hőmérséklet ellensúlyozására a 75 °C-on működő modulokra hűtőbordákat szereltek. Ebben a szélsőséges állapotban a modulok még a hűtőbordák használata ellenére is jelentősen melegebbek (5. ábra, jobbra).

5. ábra: Az 50 °C (balra) és a 75 °C (jobbra) környezeti hőmérséklet hatása a nyomtatott áramköri kártyára 400 LFM (122 folyóméter/perc) mértékű, jobbról balra irányuló légáramlás esetén (kép: Analog Devices)

LGA és BGA tokozás hátlapra szereléshez

Az LTM4601 jelű, 12 A folyamatos (14 A csúcs-) áramterhelhetőségű feszültségcsökkentő egyenfeszültség-szabályozó termékcsalád tagjai 15 mm × 15 mm × 2,82 mm méretű LGA, illetve 15 mm × 15 mm × 3,42 mm méretű BGA tokozásban állnak a tervezők rendelkezésére. A bemenőfeszültség-tartományuk 4,5 V és 20 V egyenfeszültség közötti, és 0,6 V és 5 V közötti kimenő egyenfeszültséget tudnak leadni kimenőfeszültség-követéssel és kimenőfeszültség-határolással. A szabályozási pontosságuk ±1,5%, a csúcsértékeltérésük 35 mV a teljes terhelés 0%-áról 50%-ára és 50%-áról 0%-ára történő dinamikus változása esetén, 25 µs szabályozási (beállási) idővel.

Ezek a feszültségszabályozók kaphatóak a kimenőfeszültségnek a terhelőáramtól független pontos szabályozására szolgáló beépített különbségi távérzékelős erősítővel és anélkül is. Az LTM4601IV#PBF jelű változat például LGA, az LTM4601IY#PBF jelű pedig BGA tokozásban kapható, és mindkettő el van látva beépített különbségi távérzékelős erősítővel. Azokon a felhasználási területeken, ahol nincs szükség a beépített erősítőre, használható az LGA tokozású LTM4601IV-1#PBF vagy a BGA tokozású LTM4601IY-1#PBF jelű eszköz. Ezek a modulok teljes egyenfeszültség-szabályozók, amelyekhez csak bemeneti és kimeneti kondenzátorokra van szükség ahhoz, hogy megfeleljenek az egyedi tervezési követelményeknek (6. ábra). A modulok lapos kialakítása (vékonysága) lehetővé teszi, hogy a nyomtatott áramköri lap hátoldalára szereljék őket.

6. ábra: A μModul feszültségszabályozók teljes egyenfeszültség-átalakítók, hűtési szempontból továbbfejlesztett tokozásban (kép: Analog Devices)

Az Analog Devices a DC1041A-A szemléltető áramkört kínálja az LTM4601 feszültségszabályozók gyorsabb kiértékeléséhez. Az eszköz bemenőfeszültség-tartománya 4,5 V és 20 V egyenfeszültség között van, a kimenőfeszültség pedig áthidalóval választható ki, és úgy programozható, hogy egy másik modul kimenetét követve azzal azonosan vagy arányosan monoton növekedjen vagy csökkenjen.

Rendkívül vékony feszültségszabályozók

Az Analog Devices LTM4686 16 mm × 11,9 mm méretű LGA tokozásának 1,82 mm-es magassága lehetővé teszi, hogy ezeket a kétszer 10 A vagy egyszer 20 A kimenőáramú feszültségszabályozókat elég közel lehessen elhelyezni az FPGA-khoz ahhoz, hogy az eszközök közös hűtőbordán osztozzanak, ami egyszerűsíti a hűtést. Ezenkívül ezek a feszültségszabályozók felszerelhetők a nyomtatott áramköri lap hátoldalára. A PMBus protokollt használó beépített digitális energiagazdálkodás lehetővé a távbeállítást és a kimenőáram, a kimenőfeszültség, a hőmérséklet és egyéb paraméterek valós idejű figyelését. Ezek a feszültségszabályozók két bemenőfeszültség-tartományban kaphatóak: az LTM4686IV#PBF 4,5 V és 17 V egyenfeszültség, az LTM4686IV-1#PBF pedig 2,375 V és 17 V egyenfeszültség közötti bemenőfeszültséggel működik. Az LTM4686 modulok 0,5 V és 3,6 V közötti kimenő egyenfeszültségeket támogatnak ±0,5%-os legnagyobb kimeneti hibával. Ezek a feszültségszabályozók 18 A-t képesek leadni 1 V kimenő egyenfeszültségnél 5 V bemenő egyenfeszültségről +85 °C-os környezeti hőmérsékleten, 400 LFM (122 folyóméter/perc) légáramlás mellett.

A tervezők az LTpowerPlay szoftverrel kombinált DC2722A szemléltető áramkörrel fedezhetik fel az LTM4686 modulok képességeit. Ha csak a feszültségszabályozót szeretné kiértékelni, a DC2722A bekapcsolható az alapértelmezett beállításokkal, PMBus-kommunikáció nélkül. A szoftver és a PMBus-hardverkulcs hozzáadásával a tervezők felfedezhetik az eszköz teljes digitális energiagazdálkodási képességeit, beleértve az eszköz beállításainak menet közbeni megváltoztatását és a telemetriai adatok megtekintését.

Az áramköri lap elrendezési szempontjai

Bár a μModul feszültségszabályozóknak az FPGA-k áramellátása érdekében történő párhuzamos elhelyezése során kevés villamossági szempontot kell figyelembe venni, lényegesek az alkatrészek egymástól való távolságával, az átmenő (pl. hőelvezető) furatokkal, a testfelületekkel és a légáramlással kapcsolatos paraméterek. Szerencsére az LGA-lábkiosztás kialakítása leegyszerűsíti a táp- és testfelületek elrendezését, és stabil hőelvezetést biztosít a nyomtatott áramköri lap felé. Négy μModule feszültségszabályozó párhuzamos elhelyezése egyszerűen megoldható az LGA-lábkiosztás megismétlésével (7. ábra). A szokatlanul zord környezetektől eltekintve a hűtést segítő tokozás a tápfelülettel együtt általában megfelelő hűtést biztosít a modulok számára.

7. ábra: Az LGA tokozású μModul feszültségszabályzók lábkiosztása leegyszerűsíti több modul párhuzamos elhelyezését, és segíti a jobb hűtést (kép: Analog Devices)

Összegzés

A nagy teljesítményű számítástechnikai készülékek támogatásához az FPGA-knak pontos tápfeszültségre és jó hatásfokú energiagazdálkodásra van szükségük, gyors reakcióidővel. Az FPGA-k számos tápsínjének áramellátása bonyolult feladat, amely megoldható például az Analog Devices integrált áramkörös μModule egyenfeszültség-szabályozóival. Ezek a feszültségszabályozók kis méretű és könnyen beépíthető tokozásokban kínálják a szükséges villamos teljesítményt és hűtést.