Sieben verschiedene Spannungen Wizard versorgt - nicht nur - FPGAs mit Power

Das Modul ist auf eine Leistung von 25 W ausgelegt und erzielt derzeit einen Wirkungsgrad von 88 Prozent. In den meisten Fällen lässt sich die Verlustleistung in Höhe von lediglich 3 W über die Leiterplatte abführen, weil die Rückseite des zweilagigen Wizard-Boards als plane Fläche ausgeführt ist, die eine gute Wärmeableitung ermöglicht.
Das Modul ist auf eine Leistung von 25 W ausgelegt und erzielt derzeit einen Wirkungsgrad von 88 Prozent. In den meisten Fällen lässt sich die Verlustleistung in Höhe von lediglich 3 W über die Leiterplatte abführen, weil die Rückseite des zweilagigen Wizard-Boards als plane Fläche ausgeführt ist, die eine gute Wärmeableitung ermöglicht.

Nach Genesis wartet EBV nun mit dem zweiten »EBVchip«-Modul auf: Wizard ist eine komplette Stromversorgungseinheit, die vor allem auf die Bedürfnisse von FPGA-Anwendungen zugeschnitten ist. Zaubern kann Wizard zwar nicht, aber das kompakte System spart Entwicklungszeit und lässt sich mit wenig Aufwand in die Kundenanwendung integrieren. Die aktiven Bauteile von Wizard stammen zum Großteil von National Semiconductor.

Das Modul ist auf eine Leistung von 25 W ausgelegt und erzielt derzeit einen Wirkungsgrad von 88 Prozent. In den meisten Fällen lässt sich die Verlustleistung in Höhe von lediglich 3 W über die Leiterplatte abführen, weil die Rückseite des zweilagigen Wizard-Boards als plane Fläche ausgeführt ist, die eine gute Wärmeableitung ermöglicht.

»Natürlich kann ein guter Entwickler ein derartiges Stromversorgungs-Design theoretisch auch selbst entwickeln. Aber dafür sind neben dem Know-how auch entsprechende Entwicklungs- und Testzeiten erforderlich, hinzukommen die Qualifizierung und der CE-Test«, erklärt Klaus Schlund, als Technical Director von EBV Elektronik u.a. verantwortlich für den Bereich EBVchips. Und diese Entwicklungsschritte kosten in Summe jede Menge Zeit und Geld. Hinzu kommt, dass in den meisten Fällen kein auf Analogdesigns spezialisierter Entwickler das Power-Supply-Design entwirft, sondern meist müssen die auf FPGA-Designs spezialisierten Digital-Entwickler die Point-of-Load-Stromversorgung für die FPGAs mitentwickeln. Wizard enthält quasi gebündelt das notwendige Analog-Know-how und unterstützt die Digital-Entwickler damit bei ihren »Analog-Aufgaben«.

»Im Gespräch mit Kunden haben wir festgestellt, dass es gerade für FPGA-Boards sehr aufwändig ist, die notwendige Spannungsversorgung zu realisieren.« Ein Großteil der Leiterplattenfläche bei FPGA-Boards dient normalerweise ausschließlich der Spannungsversorgung und nicht der eigentlichen Applikation. Mit Wizard hat der Entwickler jetzt die Möglichkeit, ein fertiges Board einzusetzen, denn Wizard liefert sämtliche Versorgungsspannungen, die – nicht nur – für den Betrieb von FPGAs erforderlich sind. Gleichzeitig hat EBV die Fläche von Wizard so minimiert, dass sich zusätzlich noch ein Platzgewinn auf der Leiterplatte ergibt. 

Wie funktioniert Wizard im Detail?

Aus einer Eingangsspannung von 5 V (±10%) erzeugt das DC/DC-Wandler-Board Wizard mit hohem Wirkungsgrad sieben unterschiedliche Ausgangsspannungen. Bei höheren Eingangsspannungen können die Entwickler mit sehr geringem Aufwand eine Wandlung auf die 5-Volt-Ebene vornehmen – beispielsweise mit den LMZ-Modulen von National, die einen Eingangsspannungsbereich von 7 bis 42 V aufweisen und über integrierte Drosseln verfügen. So lässt sich Wizard über dieses Modul und zwei externe Kondensatoren auch leicht an höhere Eingangsspannungen bis maximal 42 V anschließen.

Sämtliche aktiven Bauelemente auf dem Wizard-Board stammen – mit Ausnahme von einigen Transistoren und E2-Potis – von National Semiconductor. Bei diesen Power-Bausteinen handelt es sich um Standardprodukte der neusten Produktgeneration von National. »Einige der auf dem Board enthaltenen Bausteine sind sogar so neu, dass sie für die ersten Muster des Wizard-Boards, die wir auf der electronica 2010 präsentiert haben, noch manuell einzeln getestet werden mussten«, berichtet Schlund. Weil die neuen Bausteine auch im National-Tool WebBench enthalten sind, konnte EBV die notwendigen Simulationen aber bereits im Vorfeld durchführen.

Das Wizard-Board misst 59 x 57 mm und ist modular aufgebaut, so dass Entwickler beispielsweise auch nur vier der sieben verfügbaren Spannungen nutzen könnten. »Dabei sinkt nicht nur der Flächenbedarf, sondern auch die Anzahl der erforderlichen Kondensatoren und der notwendige Entwicklungsaufwand«, betont Schlund. Die EBV-Experten haben auch festgestellt, dass in vielen Applikationen alle sieben unterschiedlichen Spannungen zum Einsatz kommen, die das Board an seinem Ausgang liefert. Im Auslieferungszustand sind alle Spannungen voreingestellt, die in den meisten FPGA-Designs erforderlich sind – beispielsweise eine mit 5 A belastbare Core-Spannung von 0,9 V für die aktuellen 40-nm-FPGAs, eine mit 6 A belastbare Spannung von 1,5 V für DDR3-Speicher und eine zweite Core-Spannung für Gigabit-Ethernet-Elemente, die bei 60 nm Strukturbreite 1,2 V benötigen. Zusätzlich sind einige Low-Dropout-Spannungsregler auf dem Wizard-Board vorhanden, die dann analoge Spannungen zur Verfügung stellen, wie sie zum Beispiel in einer Höhe von meist 2,5 V für die PLL eines FPGAs notwendig ist.

»Diese analogen Spannungen sind vor allem für Schaltungselemente gedacht, die nur relativ wenig Strom aufnehmen«, so der technische Direktor. »Beim Design-In dieser LDO-Spannungsregler haben wir bereits darauf geachtet, dass die analogen Ausgangsspannungen in ihren Werten relativ nahe an der Eingangsspannung liegen.« So erzeugt Wizard unter anderem die 2,5 V am Ausgang aus der 3-V-Versorgungsschiene, wodurch die Verlustleistung in einem ziemlich geringen und damit sehr akzeptablen Bereich bleibt. Sowie die von den Schaltreglern erzeugten Spannungen sich nach dem Einschalten in einem stabilen Zustand befinden, gibt das System die Versorgungsspannung für die LDOs frei. Weil sämtliche FPGAs von Altera keinerlei Sequencing und damit keine definierte Reihenfolge benötigen, in der die einzelnen Betriebsspannungen beim Hochfahren zur Verfügung gestellt werden, hat EBV auf einen Sequencing-Mechanismus verzichtet, obwohl alle Schaltregler mit einem Soft-Start und einem Enable-Pin versehen sind. Wenn dennoch wirklich Bedarf bestehen sollte, so Schlund, könnten die Entwickler der Endapplikation nach einer Anfrage bei EBV Elektronik mit geringem Aufwand die Sequencing-Funktionalität nachrüsten. »Falls sich derartige Anfragen häufen, können wir aber auch relativ kurzfristig reagieren und eine modifizierte Variante von Wizard mit integrierter Sequencing-Funktionalität in unser Standard-Lieferprogramm aufnehmen.«