Intersil: Digital-Power-Module Stromversorgung für FPGAs

Der zunehmende Einsatz von Spannungsschienen zur Bereitstellung von PoL-Leistungen für FPGAs macht das Design von Stromversorgungen immer schwieriger. Deshalb kommen in der Telekommunikation, im Cloud-Computing und in der Industrie immer mehr gekapselte Leistungsmodule zum Einsatz.

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Intersil: Digital-Power-Module

Stromversorgung für FPGAs

Die Leistungsmodule sind im Vergleich zu diskreten Ansätzen einfacher einsetzbar. Zudem beschleunigen sie die Markteinführung für erfahrene und unerfahrene Entwickler von Stromversorgungen. Module verfügen über alle wesentlichen Bauteile: den PWM-Controller, FETs, die Induktivität und Kompensationsschaltung. Für eine komplette Stromversorgung sind also nur noch die Eingangs- und Ausgangskondensatoren erforderlich. 

Dieser Beitrag beschreibt ein Referenzdesign für eine FPGA-Stromversorgung und die einzelnen Schritte bei der Auswahl des FPGAs, der erforderlichen Stromschienen, der Backplane und der Digital-Power-Module für die POL-Versorgung. Eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) wird näher beschrieben, mit der sich die Architektur für die FPGA-Stromversorgung konfigurieren, testen und überwachen lässt. Zudem wird die Ablaufsteuerung der GUI erläutert, um die Versorgungsschienen hochzufahren und die Ablauffolge sowie die Anstiegs- und Abfallzeiten festzulegen.

Software-Tools für Stromversorgungen

FPGA-Hersteller bieten verschiedene Tools, die bei der Abschätzung der Leistungsanforderungen während der Planungsphase der Stromversorgung helfen. Diese Tools berücksichtigen die Bauteilauswahl, die Evaluierung der Architektur und das thermische Modell, um zu einer Schätzung zu gelangen. So können Entwickler von Stromversorgungen beispielsweise das Xilinx Power Estimator-Tool (XPE) vor der eigentlichen Entwicklung und Implementierung verwenden. Anbieter von Power-Management-Lösungen verwenden dann die Ergebnisse von XPE, um eine Orientierung bei der Wahl der richtigen Stromversorgungsbauelemente zu geben. 

Da das programmierbare FPGA in der Planungsphase eine Variable darstellt, sollten generelle Regeln für die Bausteine erstellt werden, die aufgrund der FPGA-Wahl variieren können. Abschätzungen für eine geringe, mittlere und hohe Auslastung helfen dabei, die Leistungsanforderungen unter diesen Bedingungen abzuschätzen. Tabelle 1 beschreibt diese Anforderungen bei einer niedrigen, mittleren und hohen Stromabschätzung für ein Virtex 7 FPGA.

Mit Tabelle 1 als Richtlinie können die verschiedenen Optionen wie analog-diskret oder Modul-Lösungen und digital-diskret oder Power-Modul-Lösungen ausgewählt werden. Tools wie der FPGA Reference Design Generator vereinfachen die Auswahl für die entsprechende FPGA-Hardware. Man wählt einfach den FPGA-Anbieter, die FPGA-Familie, die Stromanforderungen, die Backplane und die gewünschte Lösung. Das Tool stellt dann alle erforderlichen Design-Informationen in Bezug auf die gewünschte Lösung bereit, einschließlich Schaltpläne, Layout, Stückliste und ein High-Level-Blockdiagramm.

Für hoch-performante Anwendungen möchte der Entwickler den Zeitaufwand verringern, der für das Stromversorgungsdesign erforderlich ist und sich stattdessen auf die Applikationsentwicklung mit dem FPGA konzentrieren. In Hochleistungsanwendungen ist der FPGA-Code nicht festgelegt, und der Anwendungscode für das FPGA variiert oft. Bei einer analogen Stromversorgung wird die meiste Zeit mit dem Redesign der Induktivität und der Berechnung des Kompensationsnetzwerks verbracht, um die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung aufrechtzuerhalten. Die Berechnungen nehmen natürlich Zeit in Anspruch, und unter Umständen kann ein Redesign der Induktivität erforderlich sein. Ändert sich auch noch die Gehäusegröße, muss auch noch zusätzliche Zeit für das PCB-Redesign investiert werden. Mit einigen digitalen Lösungen, wie dem ISL827xM, ist kein Redesign der Induktivität oder die erneute Berechnung des Kompensationsnetzwerks mehr erforderlich. Der Baustein übernimmt diese Aufgaben automatisch.

Die führenden Anbieter von Stromversorgungsbausteinen bieten sowohl analoge als auch digitale Lösungen, einschließlich Leistungsmodule, die zahlreiche Möglichkeiten zur Abwägung der jeweiligen Kompromisse bieten. So kann zum Beispiel der 3A-Abwärts-Schaltregler ISL85003 für die festen Versorgungsschienen des Virtex-FPGAs verwendet und dann mit einem Digital-Power-Modul die verschiedenen Virtex-Bausteine unterstützt werden. Manchmal versorgen die Schienen nicht nur das FPGA, sondern auch andere Bausteine innerhalb der Anwendung. In unserem Beispiel nutzen wir die digitale Lösung für alle drei Versorgungsschienen. Wir verwenden das 25A-Digital-Power-Modul ISL8270M und den 6A-Digital-Abwärtsregler ZL2102 für die verbleibenden Schienen.

Je nachdem wie das Board aufgesetzt und wie die Teststrategie aussieht, beschleunigt Intersils PowerNavigator GUI Software das Aufsetzen, Testen und den Abschluss des Hardwaredesigns. Sowohl der ISL8270M als auch der ZL2102 bieten Evaluierungsboards, die sich miteinander verbinden und über die USB-zu-PMBus-Schnittstelle für die entsprechenden Applikationsanforderungen einstellen lassen. Bild 2 zeigt das PowerNavigator Tool im Offline-Modus. Die Hardware kann angeschlossen werden und die Konfiguration kann beginnen. Diese Einstellungen werden während des Aufsetzens verwendet, um das Design abschnittsweise zu testen und zu überprüfen.

Power Sequencing

Die Power-Sequencing-Funktion (Ablaufsteuerung) im PowerNavigator erlaubt die Steuerung und Änderung der Ein-/Ausschaltzeiten von Versorgungsschienen, die entsprechend der Bring-up-, Test- und Applikationsanforderungen zur Verfügung stehen. Bild 3 zeigt den Sequencing-Reiter der PowerNavigator GUI. Der PowerNavigator implementiert entweder eine ratiometrische oder koinzidente Ablaufsteuerung für die Anstiegs- und Abfallzeiten. Bei den Virtex-7-Bausteinen ist es erforderlich, dass die 1V-VCCINT/VCCBRAM-Schiene (rot markiert) zuerst versorgt wird, gefolgt von der 1,8V-VCCAUX/PS18V-Schiene (lila markiert) und der 1,5V-VCCO-Schiene (gelb markiert). Diese Einstellungen lassen sich einfach anpassen, um den Anforderungen des gewählten FPGAs gerecht zu werden. Sobald die Hardware vorliegt und der Stromversorgungsteil für das gewählte FPGA getestet und überprüft wurde, kann der Systementwickler seinen FPGA-Code für die niedrige, mittlere und hohe Auslastung des Bausteins testen. 

Kein Kompensationsnetzwerk erforderlich

Der patentierte Regelkreis des ISL8270M arbeitet mit der ChargeMode-Technik, die ein kompensationsfreies Design ermöglicht. Damit erübrigen sich externe Widerstände und Kondensatoren, die komplexe Gleichungen und Trial-and-Error-Versuche zur Stabilisierung des Regelkreises erforderlich machen. Die Doppelflankenmodulation (Dual-Edge) sorgt für DC- und Transienten-Stabilität und lässt sich ohne Einstellen von Koeffizienten optimieren. Bild 4 beschreibt die Vorteile der ChargeMode-Regelung: eine hohe Regelkreis-Bandbreite mit Festfrequenzbetrieb und die Möglichkeit, innerhalb eines Zyklus auf ein Lasttransienten-Ereignis zu reagieren. Damit ergibt sich ein störungsarmer Betrieb, der im Vergleich zu anderen digital- und analog-basierten Lösungen kleinere Ausgangskapazitäten erfordert.

Fazit

Vorbei sind die Zeiten, als man bei der Änderung oder dem Hinzufügen von Funktionen zu einem FPGA dessen gesamte Stromversorgung neu entwickeln musste. Das Redesign der Induktivität und der Leiterplatte bei Änderungen in letzter Minute ist nun hinfällig. Heute sorgen benutzerfreundliche Digital-Power-Module und Software-Tools wie der FPGA Reference Design Generator und die Power-Navigator GUI für ein einfaches und pünktliches Design der FPGA-Stromversorgungsarchitektur. (st)