Stromversorgungsarchitektur FPGAs richtig versorgen

Moderne FPGAs sind sehr leistungsstark, verbrauchen daher auch sehr viel Strom. Deshalb ist eine effiziente Stromversorgung der Bausteine ein wichtiger, wenn auch oft unterschätzter Teil des Designs. Ein Beispiel soll deutlich machen, wie man Schritt für Schritt so eine Stromversorgung entwirft.

Field Programmable Gate Arrays, kurz FPGAs, sind Bauteile mit vielen Logikelementen sowie anderen Funktionen wie Sendeempfänger, PLL- und MAC-Einheiten für eine komplexe Datenverarbeitung. Das macht sie zwar sehr leistungsstark, bedeutet aber auch, dass sie sehr viel Strom benötigen. Dieser Artikel untersucht den Strombedarf von FPGAs, bietet Hinweise, wie und wo man sie auf der Platine platziert und führt Schritt für Schritt durch ein Designbeispiel, bei dem ein FPGA in einem System eingesetzt wird, das mit einem 12-V-Bus (Hauptausgang eines netzversorgten Schaltnetzteils) mit Spannung versorgt wird.

Das Wichtigste am Design ist es, den erforderlichen Spannungs- und Strombedarf der jeweiligen Spannungsschiene zu ermitteln. Die wichtigsten FPGA-Hersteller bieten umfassende Rechensoftware an, welche die Betriebsfrequenz des Bauteiles, die Anzahl der verwendeten Gatter sowie deren Umschaltrate berücksichtigen, um diese Anforderungen zu ermitteln. So bietet Altera beispielsweise den »PowerPlay Early Power Estimator« und Xilinx den »XPower Analyzer« an. Tabelle 1 enthält einige der typischen erforderlichen Spannungsschienen für Altera- und Xilinx-Bauteile, die in Kernspannung, die I/O-Spannungen, den Sendeempfänger und die Hilfsspannungen aufgeteilt sind.

FPGA-Familie Teilenummer Zahl der Logikblöcke Core-Spannung/V Toleranz der Core-Spannung/mV Hilfsspannungen/VI/O-Spannungen/VToleranz der I/O-Spannungen/%
Altera Stratix V 5SEBA 1087 K 0,85 30 2,5 (VCCA_PLL)1,2 bis 35
Altera Cyclone IV GXEP4CGX150150 K1,2402,5 (VCCA, VCCA_GXB, VCCH_GXB)1,2 bis 35
Altera Arria V5AGXB7503 K1,1302,5 (VCC_AUX, VCCA_FPLL, VCCPD)1,2 bis 3,35
Xilinx Virtex 6XC6VLX760760 K1502,5 (VCC_AUX)1,2 bis 2,55
Xilinx Virtex 6XC7V2000T2000 K1301 (MGTAVCC, VCCBRAM); 1,2 (MGTAVTT); 1,8 (MGTVCCAUX, VCCAUX, VCCAUX_IO); 4,5 (VCCBRAM)1,2 bis 1,85
Xilinx Spartan 6XC6SLS150T147 K1,2601,2 (MGTAVCC, MGTAVCCPLL, MGTAVTTRX, MGTAVTTTX);  
     2,5 bis 3,3 (VCCAUX)1,2 bis 3,35
Xilinx Artix 7XC7A350T360 K1301 (MGTAVCC, VCCBRAM, VCCINT); 1,2 (MGTAVTT); 1,8 (MGTVCCAUX, VCCAUX, VCCAUX_IO)1,2 bis 3,35
Tabelle 1: Spannungsanforderungen einiger FPGAs von Altera und Xilinx

Strom verteilen

FPGAs mit niedriger Kernspannung erfordern hohe Ströme, hohe Genauigkeit und minimale Welligkeit. Um dies zu erreichen, müssen Entkopplungskondensatoren so nahe wie möglich an den Baustein platziert werden und im Entkopplungspfad minimale ESR und ESL aufweisen.

Außerdem ist es wünschenswert, die POL-Regler (Point of Load) so nahe wie möglich an das Bauteil zu platzieren, ohne die Leitungswege vom und zum FPGA zu beeinflussen. Die Serie »microBUCK« von Vishay [1] bietet durch ein komprimiertes Layout mit integrierter Steuerung, Treibern und MOSFETs sehr hohe Betriebsfrequenzen. Der recht geringe Platzbedarf dieser Lösung ermöglicht es, die Regler nahe am FPGA zu platzieren und verbessert so ihr Einschwingverhalten. Bild 1 zeigt einen Lastsprung von 3 A am »SiP12107« [2]. Die Sprungantwort hat an einer minimalen Eingangs- und Ausgangskapazität von 22 μF (0805) gerade einmal 37 mV (Spitze-Spitze).

Der SiP12107 verwendet eine Topologie mit Current-Mode (CM, Strommodus) und Constant-On-Time (COT, konstante Einschaltdauer) und benötigt zur Stabilisierung kein externes Einbringen einer Ripple-Spannung [3]. Dies minimiert die Anzahl von Komponenten und das Einschwingverhalten ist gut.

Von zentraler Bedeutung und der wichtigste Bezugswert bei der Auswahl des DC/DC-Wandlers sollte die Betriebsspannung sein. Anschließend sollte der Strombedarf überprüft werden. Sobald die Liste der Bauteile eingeschränkt ist, ist eine zusätzliche Prüfung von Merkmalen wie dem Betriebsfrequenzbereich und den Einsparungen, die beispielsweise durch den Stromsparmodus erzielt werden, durchzuführen. Dadurch findet der Entwickler genau den Regler, der am besten zu seiner Anwendung passt.

Regler von Vishay werden vom Online-Simulationswerkzeug »PowerCAD« unterstützt, mit dem der Anwender recht schnell ein Design entwickeln kann (Bild 2). Sobald dies abgeschlossen ist, lassen sich damit die operativen Wel-lenformen wie Start-up, Sprungantwort und der stabile Betrieb für die Strom- und Spannungsgrößen überprüfen. Die Leistungsfähigkeit und eine Aufschlüsselung der Verluste aller Komponenten sowie ein Stücklistengenerator sind weitere Merkmale des Simulators.

Beispiel zum Erstentwurfsverfahren

Nehmen wir beispielsweise den »Cyclone IV EP4CGX75« von Altera mit einer Taktrate von 362 MHz. Das Entwurfsverfahren beinhaltet drei Schritte:

  •  Im ersten Schritt ist mit »PowerPlay« von Altera der Strombedarf für jede Schiene zu ermitteln. In diesem Beispiel schauen wir uns die Stromversorgung des FPGA bei Worst-Case-Lasten an. Tabelle 2 erfasst die Designspezifikation der »Early-Estimator«-Software. 
  • Im zweiten Schritt kann nun die Auswahl der Bauteile erfolgen. Nach Tabelle 2 beträgt die Core-Spannung des Bauteils 1,2 V bei 5 A. Außerdem gibt es eine weitere Anforderung dieser Schiene von 1 A, also insgesamt 6 A. Tatsächlich stimmt dies auch für die beiden anderen Spannungen und führt zu einer Leistungsarchitektur, wie sie in Bild 3 zu sehen ist. 
  • Der abschließende Schritt besteht darin, dass der PowerCAD-Simulator die Ergebnisse nach Tabelle 3 ausgibt.
Last Spannung/V Ripple-Spannung/mV Strom/A 
VCORE 1,2 30 
VCCL_GXB1,2301
VCCA2,51250,5
VCCA_GXB2,51250,1
VCC_CLKIN3,31650,1
VCCIO_1-11 3,3 165 4,4 
Tabelle 2: Designspezifikationen abgeleitet aus Alteras »PowerPlay«
Teilenummer Uin/V Uout/V fsw/kHz Ripple-Spannung/mV Iout/ACout/µFL/µH∆U bei Lastsprung/mVWirkungsgrad/%
SiC402A 121,2300 <30 63302,2<5088
SiC403A123,3500<305,1824,7<5094
SiP12108 3,3 2,5300 <30 0,66,86,8<5096
Tabelle 3: Ergebnisse der PowerCAD-Simulation

Diese Simulationen liegen im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit innerhalb von 1% bis 2 % des endgültigen Designs. Dies ermöglicht Entwicklern eine schnelle Abschätzung, bevor man Zeit und Mühe in die Entwicklung von Hardware investiert. Einen gründlichen Designprozess im Anschluss kann diese schnelle Abschätzung nicht ersetzen.

Über den Autor:

Owain Bryant ist Product Applications Engineer bei Vishay Siliconix.